JP2011196316A - ランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オイル分離器を大型化することなく作動流体からの潤滑油の分離効率を向上させることができるランキンサイクル装置を提供する。
【解決手段】ランキンサイクル装置１０の回路において第１ボイラ５０より下流で、かつ第２ボイラ６０より上流となる位置に遠心分離式のオイル分離器１８を設けた。そして、第１ボイラ５０を通過し過熱度を確保した冷媒ガスがオイル分離器１８に導入される。また、オイル分離器１８で分離された潤滑油を戻すオイル戻し通路１９を、第２ボイラ６０より下流で、かつ膨張機２０より上流となる位置に接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動流体と第１流体との間で熱交換させる第１熱交換器と、第１熱交換器で熱交換された作動流体と第２流体との間で熱交換させる第２熱交換器と、第２熱交換器で熱交換された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを出力する膨張機と、を順次接続してなる回路を備えるランキンサイクル装置に関する。

この種のランキンサイクル装置として、例えば特許文献１に開示のランキンサイクル装置が挙げられる。特許文献１のランキンサイクル装置は、圧送ポンプ、加熱器（再生熱交換器と蒸発器）、膨張機、及び凝縮器を順に流路で接続して構成されている。また、このランキンサイクル装置において、再生熱交換器と蒸発器との間にはオイル分離器が配置されている。そして、オイル分離器によって作動流体から分離された潤滑油は、膨張機及び圧送ポンプへ戻されるようになっている。

特開２００９−１３８６８４号公報

ところが、特許文献１において、再生熱交換器は、ポンプの出口から膨張機の入口までの作動流体と、膨張機の出口から凝縮器の入口までの作動流体とを熱交換させるものである。そして、膨張機の出口から凝縮器の入口までの作動流体の温度は比較的低いため、再生熱交換器で、ポンプの出口から膨張機の入口までの作動流体に過熱度を確保させることは困難であり、再生熱交換器通過後の作動流体には液体が含まれている。そして、特許文献１では、再生熱交換器通過後の作動流体から潤滑油を分離するために、密度差を利用した遠心分離式のオイル分離器を用いており、このオイル分離器では作動流体からの潤滑油の分離効率が低いという問題があった。ましてや、ランキンサイクル装置が車両等に搭載されると、車両等の移動の際に発生する振動等により潤滑油と作動流体が混合されてしまい、密度差を利用したオイル分離器では潤滑油の分離効率がさらに低いものになってしまう。このため、潤滑油の分離効率を向上させるにはオイル分離器を大型化しなければならず、車両等への搭載性が悪くなってしまう。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、オイル分離器を大型化することなく作動流体からの潤滑油の分離効率を向上させることができるランキンサイクル装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、作動流体と第１流体との間で熱交換させる第１熱交換器と、前記第１熱交換器で熱交換された作動流体と第２流体との間で熱交換させる第２熱交換器と、前記第２熱交換器で熱交換された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを出力する膨張機と、を順次接続してなる回路を備えるランキンサイクル装置において、前記回路において前記第１熱交換器より下流で、かつ前記第２熱交換器より上流となる位置に遠心分離式のオイル分離器を設けた。そして、前記第１熱交換器を通過し過熱度を確保した気相作動流体が前記オイル分離器に導入され、前記オイル分離器で分離された潤滑油を戻す戻し通路を、前記回路の前記第２熱交換器より下流で、かつ前記膨張機より上流となる位置に接続した。

これによれば、オイル分離器では、過熱度を確保した気相作動流体から液体の潤滑油を遠心分離により分離することになる。よって、背景技術のように、密度差を利用して液体を含む作動流体から潤滑油を分離する場合と比べると、オイル分離器での潤滑油の分離効率を向上させることができる。また、第１熱交換器通過後に、過熱度を確保した気相作動流体から潤滑油を分離するようにし、その分離された潤滑油を、戻し通路を介して第２熱交換器より下流で、かつ膨張機より上流となる位置に戻すようにした。このため、オイル分離器で分離された潤滑油を、少なくとも膨張機に供給することができ、膨張機の軸受等の摺動部を潤滑油に潤滑させることができる。

また、前記第１流体は車両エンジン用の冷却水であり、前記第２流体は前記車両エンジンからの排気ガスであってもよい。これによれば、ランキンサイクル装置の回路において、第２熱交換器より上流にオイル分離器を設け、気相作動流体から潤滑油を分離するようにした。このため、潤滑油が第２熱交換器に流入せず、排気ガスによって高温となる第２熱交換器で潤滑油が過度に加熱されてしまうことを回避することができ、潤滑油の劣化を遅らせることができる。

また、前記第１熱交換器を通過した後の作動流体が前記過熱度を確保しているか否かを判定する判定手段を備えるとともに、前記判定手段の判定結果が否定判定の場合には、前記第１熱交換器を通過した後の作動流体が前記過熱度を確保するように前記膨張機の回転数を制御する制御部を備えていてもよい。

これによれば、第１熱交換器通過後の作動流体が過熱度を確保していないと判定された場合には、制御部により膨張機の駆動が制御され、膨張機の回転数が下げられる。すると、第１熱交換器へ導入される作動流体量が減少し、第１熱交換器で作動流体に過熱度を確保させることができる。その結果として、オイル分離器に液相の作動流体が導入されることを防止することができる。

本発明によれば、オイル分離器を大型化することなく作動流体からの潤滑油の分離効率を向上させることができる。

実施形態のランキンサイクル装置を模式的に示す図。

以下、本発明を車両に搭載されるランキンサイクル装置に具体化した実施形態を図１にしたがって説明する。
図１に示すように、ランキンサイクル装置１０は、膨張機２０、凝縮器３０、ポンプ４０、第１熱交換器としての第１ボイラ５０、オイル分離器１８、及び第２熱交換器としての第２ボイラ６０を流路１１、１２，１４，１５，１６により順次接続してなる回路を備える。このランキンサイクル装置１０の回路では、作動流体として冷媒が循環するようになっている。そして、このランキンサイクル装置１０の回路では、冷媒は、膨張機２０、凝縮器３０、ポンプ４０、第１ボイラ５０、オイル分離器１８、及び第２ボイラ６０の並び順に沿って回路を流れるようになっており、回路での冷媒の流れる方向を、冷媒の循環方向とする。

ランキンサイクル装置１０の回路において、膨張機２０とポンプ４０は、複合流体機械Ｆのハウジング内に設けられるとともに、そのハウジング内における膨張機２０とポンプ４０の間には、発電機又は電動機として機能するモータ・ジェネレータ７０が設けられている。モータ・ジェネレータ７０にはインバータ７１を介してバッテリ７２が接続されるとともに、モータ・ジェネレータ７０で生じた電力はインバータ７１を介してバッテリ７２に蓄電されるようになっている。また、インバータ７１には、複合流体機械Ｆの駆動全般を制御する制御部７３が接続されている。

複合流体機械Ｆにおけるポンプ４０の吐出ポート（図示せず）には、第１流路１１を介して第１ボイラ５０の吸熱器５０ａが接続されている。第１ボイラ５０は、吸熱器５０ａに加え放熱器５０ｂを備える。この放熱器５０ｂは、排熱源としての車両エンジン５１に接続された冷却水循環経路５２上に設けられている。冷却水循環経路５２上にはラジエータ５３が設けられている。そして、車両エンジン５１を冷却した第１流体としての冷却水（高温流体）は、冷却水循環経路５２を循環して放熱器５０ｂ及びラジエータ５３で放熱する。よって、ポンプ４０から吐出された液冷媒（液相作動流体）は、第１ボイラ５０の吸熱器５０ａと放熱器５０ｂとの間での熱交換により冷却水によって加熱される。そして、第１ボイラ５０での熱交換により、ポンプ４０吐出後の液冷媒は熱を吸収して徐々に蒸発し、蒸発温度で液冷媒は全て蒸発する。さらに、この蒸発温度からの温度上昇により、冷媒ガスが過熱度を確保した過熱蒸気（気相作動流体）となる。

第１ボイラ５０の吸熱器５０ａの吐出側には接続流路１２を介して第２ボイラ６０の吸熱器６０ａが接続されている。第２ボイラ６０は、吸熱器６０ａに加え放熱器６０ｂを備える。この放熱器６０ｂは、第１ボイラ５０と共通の排熱源となる車両エンジン５１に接続された排気通路１３上に設けられている。そして、第２流体としての車両エンジン５１からの排気ガスは、放熱器６０ｂで放熱した後、マフラ６１から排気される。よって、第１ボイラ５０を通過した冷媒ガスは、第２ボイラ６０の吸熱器６０ａと放熱器６０ｂとの間での熱交換により、第１ボイラ５０通過後よりさらに加熱される。

第２ボイラ６０の吸熱器６０ａの吐出側には、第２流路１４を介して膨張機２０における吸入ポート（図示せず）が接続されるとともに、第２ボイラ６０で加熱された冷媒ガスは第２流路１４及び吸入ポートを介して膨張機２０に吸入されるようになっている。そして、膨張機２０で膨張した低圧の冷媒ガスは、第３流路１５及び吸入ポート（図示せず）を介して凝縮器３０へ吸入されるようになっている。凝縮器３０の吐出ポート（図示せず）には第４流路１６を介してポンプ４０の吸入ポート（図示せず）が接続されている。そして、凝縮器３０では冷媒ガスが凝縮されて液冷媒に相変化し、その液冷媒は第４流路１６及び吸入ポートを介してポンプ４０に吸入されるようになっている。

ランキンサイクル装置１０の回路における冷媒の循環方向において、第１ボイラ５０より下流であり、第２ボイラ６０より上流となる接続流路１２上には、遠心分離式のオイル分離器１８が設けられている。このオイル分離器１８は、ケーシング１８ａ内に設けられた分離筒１８ｂと、ケーシング１８ａ内の下側であって分離筒１８ｂの下方に設けられた貯油部１８ｃとを備えている。そして、第１ボイラ５０で過熱度を確保した冷媒ガス（気相作動流体）は、接続流路１２を介してオイル分離器１８のケーシング１８ａ内に導入されるようになっている。ケーシング１８ａ内に導入された冷媒ガスは、オイル分離器１８で潤滑油が分離された後、接続流路１２を介して第２ボイラ６０に導入されるようになっている。

一方、オイル分離器１８における貯油部１８ｃには、戻し通路としてのオイル戻し通路１９の一端が接続されるとともに、オイル戻し通路１９の他端は、第２ボイラ６０より下流であり、膨張機２０より上流となる第２流路１４に接続されている。そして、貯油部１８ｃに貯留された潤滑油は、オイル戻し通路１９を介して第２流路１４に戻されるようになっている。

また、ランキンサイクル装置１０の回路における冷媒の循環方向において、第１ボイラ５０より下流であり、オイル分離器１８より上流に位置する接続流路１２上には、検出手段としての圧力センサＳ１及び温度センサＳ２が設けられている。そして、圧力センサＳ１及び温度センサＳ２は、第１ボイラ５０から吐出された冷媒ガスの圧力及び温度を検出する。圧力センサＳ１及び温度センサＳ２は、それぞれ制御部７３に信号接続されている。そして、圧力センサＳ１及び温度センサＳ２の検出信号は、制御部７３に入力されるようになっている。

制御部７３は、記憶手段（図示せず）に記憶された所定のプログラムデータ及び各種データに従って各種の処理を実行するようになっている。制御部７３は、圧力センサＳ１からの検出信号、及び温度センサＳ２からの検出信号に基づき、第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが所定の過熱度を確保した過熱蒸気（気相作動流体）となっているか否かを判定するようになっている。すなわち、制御部７３は、第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスの温度が、飽和蒸気の温度（沸騰点）を所定値（例えば５°Ｃ）以上越えているか否かを判定し、この判定結果が肯定の場合は、所定の過熱度を確保した過熱蒸気となっていると判定される。よって、本実施形態では、制御部７３が、第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが過熱度を確保したか否かを判定する判定手段として機能する。そして、制御部７３は、判定結果に基づきインバータ７１を介してモータ・ジェネレータ７０の回転数を制御するようになっている。

さて、上記構成のランキンサイクル装置１０において、膨張機２０に冷媒ガスが導入されて膨張し、この膨張により膨張機２０が機械的エネルギー（駆動力）を出力する。そして、この駆動力によってモータ・ジェネレータ７０の駆動軸（図示せず）が回転されるとともにポンプ４０が駆動される。

ポンプ４０により、液冷媒が第１流路１１を介して第１ボイラ５０へ送られる。そして、第１ボイラ５０において、吸熱器５０ａと放熱器５０ｂとの間での熱交換により、液冷媒が車両エンジン５１からの排熱を受けた冷却水によって加熱される。

ここで、圧力センサＳ１及び温度センサＳ２からの検出信号により、制御部７３は第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが所定の過熱度を確保した過熱蒸気となっているか否かを判定する。制御部７３の判定結果が否定判定の場合（第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが所定の過熱度を確保した過熱蒸気となっていない場合）、制御部７３はインバータ７１を制御して、モータ・ジェネレータ７０の回転数を減少させ、膨張機２０の回転数を減少させる。すると、ポンプ４０によって第１ボイラ５０へ送られる液冷媒量が減少する。

その結果、車両エンジン５１からの排熱量が変化していないと仮定すれば、第１ボイラ５０において、液冷媒が冷却水から受ける熱量が相対的に増加し、液冷媒の過熱量が増加する。すると、第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが蒸発し、所定の過熱度を確保した過熱蒸気となる。一方、制御部７３の判定結果が肯定判定の場合（第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが所定の過熱度を確保した過熱蒸気となっている場合）、制御部７３はインバータ７１を制御することなく、モータ・ジェネレータ７０の回転数を変化させない。

そして、所定の過熱度を確保した冷媒ガスは、接続流路１２を介してオイル分離器１８に導入される。オイル分離器１８では、冷媒ガスは分離筒１８ｂの外周面に吹き付けられるとともに、分離筒１８ｂの外周面を旋回しながら分離筒１８ｂの下方へ導かれる。このとき、遠心分離によって冷媒ガスから潤滑油が分離される。そして、冷媒ガスから分離された潤滑油は貯油部１８ｃに貯まり、さらに、オイル戻し通路１９から第２ボイラ６０下流の第２流路１４へ戻される。そして、第２流路１４へ戻された潤滑油は、膨張機２０内の摺動部に導かれ、膨張機２０の各摺動部が潤滑油によって潤滑される。一方、潤滑油が分離された冷媒ガスは、分離筒１８ｂに沿って上方へ移動し、接続流路１２へ排出される。

接続流路１２へ排出された冷媒ガスは、第２ボイラ６０へ送られる。そして、第２ボイラ６０において、吸熱器６０ａと放熱器６０ｂとの間での熱交換により、冷媒ガスが車両エンジン５１からの排気ガスによって加熱される。冷媒ガスに含まれる潤滑油は、第２ボイラ６０より上流のオイル分離器１８で分離されているため、第２ボイラ６０に潤滑油が流入することが抑制される。

第２ボイラ６０での熱交換により加熱された冷媒ガスは、第２流路１４を介して吸入ポートから膨張機２０に導入されて膨張し、この膨張により膨張機２０が機械的エネルギー（駆動力）を出力する。そして、この駆動力によってモータ・ジェネレータ７０の駆動軸（図示せず）が回転されるとともにポンプ４０が駆動される。

このとき、車両エンジン５１からの排熱量が大きく、膨張機２０からの出力により、駆動軸が予め設定された所定回転数を越えて回転する場合には、モータ・ジェネレータ７０を発電機として機能させて駆動軸の回転数を抑えるようにする。そして、所定回転数を越える出力は電力に変換され、インバータ７１を介してバッテリ７２に充電される。

膨張を終えて圧力が低下した冷媒ガスは、吐出ポートを介して第３流路１５へ吐出される。第３流路１５へ吐出された冷媒ガスは、凝縮器３０を通過して液化し（液冷媒）、第４流路１６を介してポンプ４０に導入される。そして、膨張機２０からの出力により駆動されるポンプ４０により、液冷媒は第１流路１１を介して第１ボイラ５０へ供給される。以後、上述したように、冷媒は、オイル分離器１８、第２ボイラ６０、膨張機２０、凝縮器３０、及びポンプ４０を流れて、車両エンジン５１が駆動されている間は、冷媒はランキンサイクル装置１０を循環する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ランキンサイクル装置１０の回路において、冷媒の循環方向における第１ボイラ５０より下流であり、第２ボイラ６０より上流にオイル分離器１８を設けた。そして、第１ボイラ５０通過後の、所定の過熱度を確保して過熱蒸気となった冷媒ガス（気相作動流体）をオイル分離器１８に導入するようした。このため、オイル分離器１８では、気体の冷媒ガスから液体の潤滑油を分離することができる。よって、背景技術のように、密度差を利用して液体を含む作動流体から潤滑油を分離する場合と比べると、オイル分離器１８での潤滑油の分離効率を向上させることができる。そして、オイル分離器１８は、密度差を利用しないタイプであるため、潤滑油を効率良く分離させるために大型化する必要もないため、ランキンサイクル装置１０の車両への搭載性も向上させることができる。

（２）第１ボイラ５０通過後に、冷媒ガスから潤滑油を分離するようにし、その分離された潤滑油を、オイル戻し通路１９を介して膨張機２０より上流の第２流路１４へ供給するようにした。このため、オイル分離器１８で分離された潤滑油を、冷媒の循環に乗せて膨張機２０に供給することができ、膨張機２０の軸受等の摺動部を潤滑油に潤滑させることができる結果、摺動部の焼付き等を防止することができる。

（３）第２ボイラ６０では、車両エンジン５１からの排気ガスを用いて冷媒ガスとの熱交換が行われるため、第２ボイラ６０の金属部付近は高温になる。本実施形態では、ランキンサイクル装置１０の回路における冷媒の循環方向において、第２ボイラ６０より上流にオイル分離器１８を設け、冷媒ガスから潤滑油を分離するようにした。このため、潤滑油が第２ボイラ６０に流入せず、第２ボイラ６０の高温の金属部付近で潤滑油が過度に加熱されてしまうことを回避することができ、潤滑油の劣化を遅らせることができる。その結果として、潤滑油と相溶性を有する冷媒、さらには膨張機２０の腐食等も遅らせることができる。

（４）ランキンサイクル装置１０の回路における冷媒の循環方向において、第２ボイラ６０より上流にオイル分離器１８を設け、冷媒ガスから潤滑油を分離するようにした。このため、第２ボイラ６０（吸熱器６０ａ）の表面に潤滑油が付着しにくくなる。よって、第２ボイラ６０より上流にオイル分離器１８を設けない場合と比べると、第２ボイラ６０での熱交換率を向上させることができるとともに第２ボイラ６０を小型化することができる。

（５）第１ボイラ５０より下流に圧力センサＳ１及び温度センサＳ２を設け、第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスの圧力及び温度を検出し、その検出された圧力及び温度から制御部７３により第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが所定の過熱度を確保して過熱蒸気になっているか否かを判定するようにした。そして、第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが所定の過熱度を確保して過熱蒸気となっていないと判定された場合には、制御部７３によりモータ・ジェネレータ７０の駆動が制御され、膨張機２０の回転数が下げられる。すると、第１ボイラ５０へ導入される液冷媒量が減少し、第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスに所定の過熱度を確保させることができ、オイル分離器１８に液冷媒が導入されることを防止することができる。その結果、オイル分離器１８で分離された潤滑油と一緒に液冷媒が第２流路１４へ戻されてしまう（液冷媒が第２ボイラ６０をバイパスしてしまう）ことを防止することができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
○ ランキンサイクル装置１０は、車両以外にも太陽発電システム等に用いてもよい。
○ 実施形態において、温度センサＳ２を削除するとともに、冷却水循環経路５２に温度センサを設けてもよい。そして、この温度センサにより検出された冷却水の温度（検出信号）と、圧力センサＳ１により検出された冷媒ガスの圧力（検出信号）に基づいて、第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが所定の過熱度を確保して過熱蒸気になっているか否かを判定するようにしてもよい。

○ 実施形態では、圧力センサＳ１及び温度センサＳ２の検出結果に基づき第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが所定の過熱度を確保して過熱蒸気になっているか否かを判定するようにしたが、以下のように変更してもよい。すなわち、圧力センサＳ１及び温度センサＳ２のいずれか一方の検出結果に基づき第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが所定の過熱度を確保して過熱蒸気になっているか否かを判定するようにしてもよい。

○ オイル分離器１８で分離された潤滑油を、膨張機２０の上流ではなく、ポンプ４０の上流となる第４流路１６に戻すようにしてもよい。さらには、オイル分離器１８で分離された潤滑油を、膨張機２０上流の第２流路１４、及びポンプ４０上流の第４流路１６の両方に戻すようにしてもよい。

○ 実施形態において、第１ボイラ５０通過後の冷媒ガスが所定の過熱度を確保して過熱蒸気になっているか否かの判定結果に基づいた制御部７３による膨張機２０（モータ・ジェネレータ７０）の回転数制御は無くてもよい。

○ 作動流体は冷媒でなく、水等に変更してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記回路において前記第１熱交換器より下流側には前記作動流体の温度及び圧力を検出する検出手段が設けられるとともに、前記検出手段の検出結果に基づいて前記判定手段が判定する請求項３に記載のランキンサイクル装置。

（ロ）前記ランキンサイクル装置は車両に搭載される請求項１〜請求項３、及び技術的思想（イ）のうちいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。

１０…ランキンサイクル装置、１８…オイル分離器、１９…戻し通路としてのオイル戻し通路、２０…膨張機、５０…第１熱交換器としての第１ボイラ、５１…車両エンジン、６０…第２熱交換器としての第２ボイラ、７３…判定手段としての制御部。

Claims (3)

1. 作動流体と第１流体との間で熱交換させる第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器で熱交換された作動流体と第２流体との間で熱交換させる第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器で熱交換された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを出力する膨張機と、を順次接続してなる回路を備えるランキンサイクル装置において、
   前記回路において前記第１熱交換器より下流で、かつ前記第２熱交換器より上流となる位置に遠心分離式のオイル分離器を設け、
   前記第１熱交換器を通過し過熱度を確保した気相作動流体が前記オイル分離器に導入され、前記オイル分離器で分離された潤滑油を戻す戻し通路を、前記回路の前記第２熱交換器より下流で、かつ前記膨張機より上流となる位置に接続したランキンサイクル装置。
2. 前記第１流体は車両エンジン用の冷却水であり、前記第２流体は前記車両エンジンからの排気ガスである請求項１に記載のランキンサイクル装置。
3. 前記第１熱交換器を通過した後の作動流体が前記過熱度を確保しているか否かを判定する判定手段を備えるとともに、前記判定手段の判定結果が否定判定の場合には、前記第１熱交換器を通過した後の作動流体が前記過熱度を確保するように前記膨張機の回転数を制御する制御部を備える請求項１又は請求項２に記載のランキンサイクル装置。

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