JP4977638B2 - 廃熱利用装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃熱利用装置に係り、例えば、内燃機関を熱機関とする車両に用いられて好適な廃熱利用装置に関する。

この種の廃熱利用装置は、熱機関の廃熱によって作動流体を加熱する蒸発器と、蒸発器を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器を経由した作動流体を蒸発器に向けて圧送するポンプとが作動流体の循環経路に順次介挿されてランキンサイクルを構成している。
そして、凝縮器などの熱交換器に潤滑油が流入して、その熱交換効率が低下することを防止するために、オイルセパレータによって作動流体と潤滑油とを分離する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、潤滑油を膨張機に供給して、その摺動部の潤滑を行うために、膨張機を経由した作動流体から潤滑油を分離し、膨張機の１次側に戻す技術が公知である（例えば、特許文献２参照）。
更に、非相溶性の潤滑油を使用し、ポンプで昇圧後の作動流体からオイルセパレータによって潤滑油を分離して膨張機の１次側に戻す技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開昭５９−５４７１２号公報 特開昭５９−４１６０９号公報 特開２００４−２１１６３６号公報

しかしながら、上記各従来技術では、膨張機の摺動部の潤滑を行うことはできるものの、摺動部を有するポンプの潤滑については格別な配慮がなされておらず、ポンプの耐久性の向上、ひいては廃熱利用装置全体の信頼性の向上には依然として課題が残されている。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ランキンサイクルに使用されるポンプの耐久性を向上し、ひいては廃熱利用装置全体の信頼性を向上することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の廃熱利用装置は、非相溶性の潤滑油を含む作動流体の循環経路に、熱機関の廃熱によって作動流体を加熱する蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を蒸発器に向けて圧送するポンプが順次介挿されたランキンサイクルと、作動流体から潤滑油を分離する潤滑油分離手段と、潤滑油分離手段によって作動流体から分離された潤滑油を循環経路の凝縮器とポンプとの間に戻す潤滑油戻し手段とを備えることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、請求項１において、潤滑油分離手段は、循環経路のポンプと蒸発器との間または膨張機と凝縮器との間に介挿されるオイルセパレータを含み、潤滑油戻し手段は、オイルセパレータによって作動流体から分離された潤滑油を循環経路の凝縮器とポンプとの間に戻すリターン経路を含むことを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、請求項２において、潤滑油戻し手段は、オイルセパレータによって作動流体から分離された潤滑油を循環経路の蒸発器と膨張機との間に戻す第２のリターン経路を含むことを特徴としている。

更にまた、請求項４記載の発明では、請求項１において、潤滑油分離手段は、循環経路のポンプと蒸発器との間及び膨張機と凝縮器との間にそれぞれ介挿されるオイルセパレータを含むことを特徴としている。
また、請求項５記載の発明では、請求項４において、潤滑油戻し手段は、オイルセパレータのうちの一つによって作動流体から分離された潤滑油を凝縮器とポンプとの間に戻す第３のリターン経路と、オイルセパレータのうちの他の１つによって作動流体から分離された潤滑油を蒸発器と膨張機との間に戻す第４のリターン経路とを含むことを特徴としている。

更に、請求項６記載の発明では、請求項５において、潤滑油戻し手段は、第３のリターン経路と第４のリターン経路とを連通するバイパス経路を含むことを特徴としている。

請求項１記載の本発明の廃熱利用装置によれば、作動流体から潤滑油を分離する潤滑油分離手段と、潤滑油分離手段によって作動流体から分離された潤滑油を循環経路の凝縮器とポンプとの間に戻す潤滑油戻し手段とを備えることにより、作動流体から分離された潤滑油をポンプに供給することが可能となり、ポンプの摺動部を潤滑することができるため、ポンプの耐久性を向上することができ、ひいては廃熱利用装置全体の信頼性を向上することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、潤滑油分離手段が循環経路のポンプと蒸発器との間または前記膨張機と前記凝縮器との間に介挿されるオイルセパレータを含み、潤滑油戻し手段がオイルセパレータによって作動流体から分離された潤滑油を循環経路の凝縮器とポンプとの間に戻すリターン経路を含むことにより、ポンプの摺動部を潤滑することができるため、ポンプの耐久性を向上することができ、ひいては廃熱利用装置全体の信頼性を向上することができる。

更に、請求項３記載の発明によれば、潤滑油戻し手段がオイルセパレータによって作動流体から分離された潤滑油を循環経路の蒸発器と膨張機との間に戻す第２のリターン経路を含むことにより、作動流体から分離された潤滑油をポンプ及び膨張機に供給することが可能となり、ポンプのみならず膨張機の摺動部をも潤滑することができるため、ポンプ及び膨張機の両方の耐久性を向上することができ、ひいては廃熱利用装置全体の信頼性を更に向上することができる。

更にまた、請求項４記載の発明によれば、潤滑油分離手段が循環経路のポンプと蒸発器との間及び膨張機と凝縮器との間にそれぞれ介挿されるオイルセパレータを含むことにより、蒸発器及び凝縮器に流入される作動流体に含まれる潤滑油量をも最小限に抑制することができるため、蒸発器及び凝縮器の両方の熱交換効率を向上することができ、ひいては廃熱利用装置全体の効率を向上することができる。

また、請求項５記載の発明によれば、潤滑油戻し手段がオイルセパレータのうちの一つによって作動流体から分離された潤滑油を循環経路の凝縮器とポンプとの間に戻す第３のリターン経路と、オイルセパレータのうちの他の１つによって作動流体から分離された潤滑油を循環経路の蒸発器と膨張機との間に戻す第４のリターン経路とを含むことにより、蒸発器及び凝縮器の両方の熱交換効率を向上しつつ、ポンプ及び膨張機の両方の耐久性を向上することができ、ひいては廃熱利用装置全体の信頼性を更に向上することができる。

更に、請求項６記載の発明によれば、潤滑油戻し手段が第３のリターン経路と第４のリターン経路とを接続するバイパス経路を含むことにより、蒸発器及び凝縮器に流入される作動流体に含まれる潤滑油量をも最小限に抑制しつつ、潤滑油をポンプまたは膨張機へ必要に応じて分配して戻すことができる。これにより、ポンプ及び膨張機の両方の耐久性を向上しつつ、ランキンサイクル全体における潤滑油の偏在を防止しながら潤滑油量のバランスを最適化することができるため、ポンプ及び膨張機の両方の耐久性をより一層効果的に向上することができ、ひいては廃熱利用装置全体の信頼性を更に向上することができる。

図１は第１実施形態の廃熱利用装置のランキンサイクルを概略的に示す。
ランキンサイクルは、作動流体循環経路（循環経路）２を備え、この循環経路２には例えばランキンサイクルの作動流体として、潤滑油を含んだ1.1.1.2-テトラフロロエタンが封入されている。
ここで、本実施形態では、鉱油や、ＰＡＯ（ポリアルファオレフィン）、ＬＡＢ（直鎖型アルキルベンゼン）などの炭素と水素とを主要元素とし、所定の条件下で適正な高粘度を有するとともに、高温安定性、化学的安定性、及び低温流動性を有し、上記作動流体に対する非相溶性の潤滑油を使用している。

循環経路２には、図示しない車両のエンジンなどの熱機関の熱源４からの廃熱によって作動流体を加熱する蒸発器６と、蒸発器６を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機８と、膨張機８を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器１０と、凝縮器１０を経由した作動流体を蒸発器６に向けて圧送するポンプ１２とが順次介挿されている。そして、膨張機８には図示しない発電機が連結され、膨張機８で得られた駆動力は電力などに変換されて様々な用途に利用される。

また、本実施形態のランキンサイクルは、オイルセパレータ（潤滑油分離手段）１４及び潤滑油のリターン経路（潤滑油戻し手段）１６を備え、オイルセパレータ１４は、循環経路２のポンプ１２と蒸発器６との間に介挿され、ポンプ１２から送出された作動流体から潤滑油を分離し、潤滑油分離後の作動流体を蒸発器１０に向けて供給する一方、分離された潤滑油をリターン経路１６に排出する。

オイルセパレータ１４は、その設置場所において異なる液体として存在する作動流体と潤滑油とをこれらの密度差を利用して分離するものであり、本実施形態では作動流体よりも潤滑油のほうが低密度となっているため、リターン経路１６はオイルセパレータ１４の上部近傍に、蒸発器２に延設される循環経路２はオイルセパレータ１４の底部近傍にそれぞれ位置づけられている。なお、作動流体と潤滑油とを遠心力分離や電界分離により分離したり、或いは液体の粘度差を利用したフィルタによる濾過方式によって分離したりしてもよい。また、オイルセパレータ１４はポンプ１２の吐出側に内蔵しても良い。

リターン経路１６は、オイルセパレータ１４と、循環経路２の凝縮器１０とポンプ１２との間に接続され、オイルセパレータ１４にて分離された潤滑油をポンプ１２の上流側の循環経路２に戻す。
また、リターン経路１６には、流量調節弁１８が介挿され、流量調節弁１８は、ポンプ１２、ひいてはランキンサイクルの作動状況に応じて、オイルセパレータ１４からリターン経路１６を経てポンプ１２の上流側の循環経路２へ戻される潤滑油量を調節する。

以上のように、上述の第１実施形態の場合には、作動流体から分離された潤滑油をポンプ１２に供給することが可能となり、ポンプ１２の図示しない摺動部を潤滑することができるため、ポンプ１２の耐久性を向上することができる。
しかも、蒸発器６に流入される作動流体に含まれる潤滑油量を最小限に抑制することができるため、蒸発器６における熱交換効率を向上することができる。なぜなら、蒸発器６に流入される作動流体中の潤滑油量の低減により、蒸発器６の汚れ係数の低下、作動流体中の潤滑油の劣化の防止、蒸発器６における作動流体の圧力損失の低減などを図ることができるためである。こうして、ポンプ１２の耐久性及び効率や蒸発器６における熱交換効率の向上により、廃熱利用装置全体の効率及び信頼性を大幅に向上することができる。

本発明は上述した第１実施形態に制約されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、図２に示される第２実形態の廃熱利用装置の場合、第１実施形態の廃熱利用装置に対し、オイルセパレータ１４によって作動流体から分離された潤滑油を循環経路２の蒸発器６と膨張機８との間に戻す第２のリターン経路（潤滑油戻し手段）２０を更に備えている。

各リターン経路１６，２０は、オイルセパレータ１４から延びる共用経路２２を有しており、共用経路２２に流量調節弁１８が介挿されるとともに、共用経路２２から各リターン経路１６，２０への分岐点には各リターン経路１６，２０へ流入される潤滑油の分配量を調節する三方弁２４が設けられている。なお、各リターン経路１６，２０は、それぞれオイルセパレータ１４から独立して延びる経路で構成しても構わない。

第２実施形態の場合、作動流体から分離された潤滑油をポンプ１２及び膨張機８に供給することが可能となり、ポンプ１２のみならず膨張機８の摺動部をも潤滑することができるため、ポンプ１２及び膨張機８の両方の耐久性を向上することができる。
一方、図３に示される第３実施形態の廃熱利用装置の場合、オイルセパレータ１４に加え、循環経路２の膨張機８と凝縮器１０との間における作動流体から潤滑油を分離する第２のオイルセパレータ（オイルセパレータ、潤滑油分離手段）２６を更に備えている。

循環経路２の凝縮器１０とポンプ１２との間に接続される第３のリターン経路（潤滑油戻し手段）２８がオイルセパレータ１４から延設されるとともに、循環経路２の蒸発器６と膨張機８との間に接続される第４のリターン経路（潤滑油戻し手段）３０が第２のオイルセパレータ２６から延設されている。なお、第３のリターン経路２８には、第１実施形態の場合のリターン経路１６と同様に流量調節弁１８が介挿されている。

ここで、膨張機８を経由した後の作動流体はガス化しているため、第２のオイルセパレータ２６における作動流体と潤滑油との分離は、作動流体の流路を拡径することにより作動流体の流速を落として潤滑油を分離するような簡素な気液分離機構が採用されている。
すなわち、第２のオイルセパレータ２６においては、オイルセパレータ１４とは逆に作動流体よりも潤滑油のほうが高密度となっているため、第４のリターン経路３０は第２のオイルセパレータ２６の底部近傍に、凝縮器１０まで延設される循環経路２は第２のオイルセパレータ２６の上部近傍にそれぞれ位置づけられている。なお、第２のオイルセパレータ２６は膨張機８の出口側に内蔵しても良い。

また、第４のリターン経路３０には、第２のポンプ３２が介挿され、第２のポンプ３２は、その回転数制御により、膨張機８、ひいてはランキンサイクルの作動状況に応じて、第２のオイルセパレータ２６から第４のリターン経路３０を経て膨張機８の上流側の循環経路２へ戻される潤滑油量を調節する。
第３実施形態の場合、蒸発器６に加え、凝縮器１０に流入される作動流体に含まれる潤滑油量をも最小限に抑制することができるため、蒸発器６及び凝縮器１０の両方の熱交換効率を向上しつつ、更にポンプ１２及び膨張機８の両方の耐久性を向上することができるため、廃熱利用装置全体の効率及び信頼性を更に向上することができる。

一方、図４に示される第４実施形態の廃熱利用装置の場合には、第３実施形態の第３のリターン経路２８を第２のオイルセパレータ２６から延設するようにするとともに、第４のリターン経路３０をオイルセパレータ１４から延設するようにし、更に第３のリターン経路２８と第４のリターン経路３０とを接続するバイパス経路３４を更に備えている。
第３のリターン経路２８には２方弁３６が介挿され、一方、第４のリターン経路３０には、第２実施形態の場合の第２のリターン経路２０と同様に、流量調節弁１８、及び三方弁２４が介挿されている。

三方弁２４は、膨張機８やポンプ１２、ひいてはランキンサイクルの作動状況に応じて、オイルセパレータ１４から第４のリターン経路３０、バイパス経路３４へそれぞれ流入される潤滑油の分配量を調節するとともに、２方弁３６の開弁により第２のオイルセパレータ２６からバイパス経路３４、第４のリターン経路３０を介して膨張機８の上流側へ流入される潤滑油とポンプ１２の上流側へ流入される潤滑油との分配量を調節している。

第４実施形態の場合、各オイルセパレータ１４，２６によって作動流体から分離された潤滑油をポンプ１２または膨張機８へ必要に応じて分配して戻すことができ、ポンプ１２及び膨張機８の両方の耐久性を向上しつつ、ランキンサイクル全体における潤滑油の偏在を防止しながら潤滑油量のバランスを最適化する潤滑油循環制御を行うことができるため、廃熱利用装置全体の信頼性をより一層効果的に向上することができる。

一方、図５に示される第５実施形態の廃熱利用装置の場合、第４実施形態の廃熱利用装置に対し、第２のオイルセパレータ２６によって作動流体から分離された潤滑油量を検出するフロート式の油量センサ３８を備えている。
第５実施形態の場合、膨張機８やポンプ１２、ひいてはランキンサイクルの作動状況に加え、油量センサ３８にて検出された潤滑油量に応じて、流量調節弁１８、三方弁２４、２方弁３６を駆動することにより、ランキンサイクル全体の潤滑油循環制御の制御性の向上を図ることができて好ましい。

本発明の第１実施形態に係る廃熱利用装置の模式図である。 本発明の第２実施形態に係る廃熱利用装置の模式図である。 本発明の第３実施形態に係る廃熱利用装置の模式図である。 本発明の第４実施形態に係る廃熱利用装置の模式図である。 本発明の第５実施形態に係る廃熱利用装置の模式図である。

符号の説明

２ 作動流体循環経路（循環経路）
６ 蒸発器
８ 膨張機
１０ 凝縮器
１２ ポンプ
１４ オイルセパレータ（潤滑油分離手段）
１６ リターン経路（潤滑油戻し手段）
２０ 第２のリターン経路（潤滑油戻し手段）
２６ 第２のオイルセパレータ（オイルセパレータ、潤滑油分離手段）
２８ 第３のリターン経路（潤滑油戻し手段）
３０ 第４のリターン経路（潤滑油戻し手段）
３４ バイパス経路

Claims (6)

1. 非相溶性の潤滑油を含む作動流体の循環経路に、熱機関の廃熱によって前記作動流体を加熱する蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に向けて圧送するポンプが順次介挿されたランキンサイクルと、
   前記作動流体から潤滑油を分離する潤滑油分離手段と、
   前記潤滑油分離手段によって作動流体から分離された潤滑油を前記循環経路の前記凝縮器と前記ポンプとの間に戻す潤滑油戻し手段とを備えることを特徴とする廃熱利用装置。
2. 前記潤滑油分離手段は、前記循環経路の前記ポンプと前記蒸発器との間または前記膨張機と前記凝縮器との間に介挿されるオイルセパレータを含み、
   前記潤滑油戻し手段は、前記オイルセパレータによって作動流体から分離された潤滑油を前記循環経路の前記凝縮器と前記ポンプとの間に戻すリターン経路を含むことを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用装置。
3. 前記潤滑油戻し手段は、前記オイルセパレータによって作動流体から分離された潤滑油を前記循環経路の前記蒸発器と前記膨張機との間に戻す第２のリターン経路を含むことを特徴とする請求項２に記載の廃熱利用装置。
4. 前記潤滑油分離手段は、前記循環経路の前記ポンプと前記蒸発器との間及び前記膨張機と前記凝縮器との間にそれぞれ介挿されるオイルセパレータを含むことを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用装置。
5. 前記潤滑油戻し手段は、前記オイルセパレータのうちの一つによって作動流体から分離された潤滑油を前記循環経路の前記凝縮器と前記ポンプとの間に戻す第３のリターン経路と、前記オイルセパレータのうちの他の１つによって作動流体から分離された潤滑油を前記循環経路の前記蒸発器と前記膨張機との間に戻す第４のリターン経路とを含むことを特徴とする請求項４に記載の廃熱利用装置。
6. 前記潤滑油戻し手段は、前記第３のリターン経路と前記第４のリターン経路とを連通するバイパス経路を含むことを特徴とする請求項５に記載の廃熱利用装置。

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