JP6603520B2 - ランキンサイクル装置における潤滑方法 - Google Patents

Description

本発明は、工場排熱等を熱媒とするランキンサイクル装置における潤滑方法に関する。

自動車の排気ガスや、各種設備から排出する温水や蒸気などの熱エネルギーを回収し、電気エネルギー等に変換するためのランキンサイクル装置が知られている。

特許文献１には、ランキンサイクル装置におけるポンプなどの回転部分に潤滑油を自動的に補給する技術が開示されている。特許文献１では冷媒循環路にオイル分離器を設け、回転部分から漏出した潤滑油をオイル分離器で分離回収してオイル貯蔵タンクに送り、貯蔵した潤滑油を適宜ポンプ等の回転部分に供給している。

特開２００９−１３８６８４号公報

しかし特許文献１のような装置では、従来のシステムにオイル分離器、オイル貯蔵タンク、各回転部分への潤滑油供給路および供給ポンプ等が更に加わり、ランキンサイクル装置における構成機器が多くなり、システム全体が複雑化してコストも増大するという問題がある。

そこで、本発明はこのような問題を解決することを課題とし、装置構成の複雑化やコストの増大を回避した新しいランキンサイクル装置における潤滑方法を提供するものである。

請求項１に記載の本発明は、冷媒循環路２にポンプ３、蒸発器４、膨張機５および凝縮器６が設けられ、ポンプ３から蒸発器４に供給される高圧の液状冷媒が蒸発器４で熱媒との熱交換により高温高圧の冷媒蒸気となって膨張機５に供給され、膨張機５から流出する低温低圧の冷媒蒸気が凝縮器６を経てポンプ３に循環するように構成したランキンサイクル装置において、
冷媒循環路２を循環する冷媒に予め潤滑油を混合しておき、
蒸発器４内部に滞留した潤滑油に対しては、蒸発器４における冷媒の蒸発量を超える量の冷媒をポンプ３から蒸発器４に一時的に供給し、蒸発器４の液面を上昇させることによって、蒸発器４の液面付近に滞留した潤滑油を蒸発器４内部から膨張機５側の冷媒循環路２に排出し、
冷媒とともに潤滑油をランキンサイクル全体に循環させることを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の潤滑方法において、
蒸発器４における冷媒の蒸発量を超える量の冷媒をポンプ３から蒸発器４に間欠的に一定時間ずつ供給することによって、蒸発器４内部に滞留した潤滑油を蒸発器４内部から膨張機５側の冷媒循環路２に排出することを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法である。

請求項３に記載の本発明は、冷媒循環路２にポンプ３、蒸発器４、膨張機５および凝縮器６が設けられ、ポンプ３から蒸発器４に供給される高圧の液状冷媒が蒸発器４で熱媒との熱交換により高温高圧の冷媒蒸気となって膨張機５に供給され、膨張機５から流出する低温低圧の冷媒蒸気が凝縮器６を経てポンプ３に循環するように構成したランキンサイクル装置において、
冷媒循環路２を循環する冷媒に予め潤滑油を混合しておき、
蒸発器４内部に滞留した潤滑油に対しては、蒸発器４における冷媒の蒸発量を超える量の冷媒をポンプ３から蒸発器４に連続的に供給し、蒸発器４の液面を上昇させることによって、蒸発器４の液面付近に滞留した潤滑油を蒸発器４内部から膨張機５側の冷媒循環路２に排出し、
冷媒とともに潤滑油をランキンサイクル全体に循環させることを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法である。

請求項４に記載の本発明は、請求項３に記載の潤滑方法において、
膨張機５及びポンプ３の回転部分を循環する潤滑油の混合量は冷媒に対して５〜２０重量％であり、
蒸発器４における冷媒の蒸発量に対し１．０５〜１．２０倍の質量流量の潤滑油混合冷媒を連続的に蒸発器４に供給することを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法である。

請求項５に記載の本発明は、請求項３に記載の潤滑方法において、
冷媒循環路２に膨張機５をバイパスするバイパス流路１１を設け、
蒸発器４における冷媒の蒸発量を超える量の冷媒をポンプ３から蒸発器４に連続的に供給している際に、さらに一時的に冷媒の供給量を増加し、
その増加させている間は蒸発器４から流出する冷媒の流路を、膨張機５をバイパスするバイパス流路１１に切り替えることを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法である。

請求項６に記載の本発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の潤滑方法において、
蒸発器４内部の冷媒流路は、互いに独立した複数の小流路４ｄに区画されており、それらの小流路４ｄは蒸発器４の出口側に向かって形成されていることを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法である。

請求項７に記載の本発明は、請求項６に記載の潤滑方法において、
互いに独立した複数の小流路４ｄがストレートフィン４ｃにより形成されていることを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法である。

本発明の第１の発明によれば、冷媒循環路２を循環する冷媒に予め混合された潤滑油の一部が蒸発器４の内部に滞留した場合においても、蒸発量を超える量の冷媒を一時的に蒸発器４に供給することにより、蒸発器４の液面が上昇し、蒸発器４の液面付近に滞留していた潤滑油は、冷媒の流れに乗って蒸発器４の出口から排出され、さらに膨張機５へと移送され、冷媒循環路２を循環する。これにより、先述の特許文献１に記載の従来技術のように、オイル分離器、オイル貯留タンク、潤滑油供給路等を追加することなく、簡素な構成で膨張機５およびポンプ３を潤滑することが可能となる。

なお、本発明の第２の発明によれば、前記第１の発明において、蒸発量を超える量の冷媒を間欠的に一定時間ずつ供給することにより、その一時的な供給がなされる。これにより、ポンプ流量の単純な制御によって、特に費用も要せずに、容易に膨張機５およびポンプ３を潤滑することが可能となる。

本発明の第３の発明によれば、冷媒循環路２を循環する冷媒に予め混合された潤滑油の一部が蒸発器４の内部に滞留した場合においても、蒸発量を超える量の冷媒を連続的に蒸発器４に供給することにより、蒸発器４の液面が上昇し、蒸発器４の液面付近に滞留していた潤滑油は、冷媒の流れに乗って蒸発器４の出口から排出され、さらに膨張機５へと移送され、冷媒循環路２を循環する。これにより、先述の特許文献１に記載の従来技術のように、オイル分離器、オイル貯留タンク、潤滑油供給路等を追加することなく、簡素な構成で膨張機５およびポンプ３を潤滑することが可能となる。

なお、本発明の第４の発明によれば、前記第３の発明において、潤滑油の混合量は冷媒に対して５〜２０重量％であり、蒸発器４における冷媒の蒸発量に対し１．０５〜１．２０倍の質量流量の潤滑油混合冷媒を蒸発器４に供給することにより、その連続的な供給がなされる。これにより、十分な量の潤滑油を安定に循環させ、膨張機５およびポンプ３を潤滑することが可能となる。

なお、本発明の第５の発明によれば、前記第３の発明において、冷媒循環路２に膨張機５をバイパスするバイパス流路１１を設け、蒸発量を超える量の冷媒を連続的に蒸発器４に供給している際に、さらに一時的に冷媒の供給量を増加させるとともに、その増加している間は蒸発器４から流出する冷媒の流路をバイパス流路１１に切り替えることにより、膨張機５をバイパスさせて潤滑油混合冷媒を循環させることが可能となる。

冷媒を連続的に蒸発器４に供給している際に、例えば蒸発器４への入熱量等の運転条件に変動が生じると、冷媒の供給量と蒸発量のバランスが崩れ、蒸発器４に過剰の潤滑油が滞留することが起こり得る。またその過剰に滞留した潤滑油が冷媒とともに膨張機５に突入し、それにより膨張機５の回転抵抗が急増し、膨張機５が停止または破損するおそれもある。

しかしながら、このような状態になった場合であっても、上述のように膨張機５を経ずに、蒸発器４から凝縮器６へ潤滑油混合冷媒を移送することにより、膨張機５の停止や破損のおそれなく、潤滑油を再循環させ、循環量を速やかにかつ適切に調整することができるので、より安定に膨張機５およびポンプ３を潤滑することが可能となる。

また、本発明の第６の発明によれば、前記第１の発明ないし第５の発明のいずれかにおいて、蒸発器４の内部の冷媒流路が、互いに独立した複数の小流路４ｄに区画されており、それらの小流路４ｄは蒸発器４の出口側に向かって形成されている。これにより、冷媒の主要な流れは蒸発器４の出口側に向かう小流路４ｄに沿った流れとなり、冷媒の流れに乗った潤滑油は停滞することなく蒸発器４から排出されて膨張機５へと移送されるので、効率良く、安定に潤滑油を循環させ、膨張機５およびポンプ３を潤滑することが可能となる。

なお、本発明の第７の発明によれば、前記第６の発明において、互いに独立した複数の小流路４ｄがストレートフィン４ｃにより形成されている。これにより、冷媒の主要な流れは蒸発器４の出口側に向かう小流路４ｄに沿った直線的な流れとなり、冷媒の流れに乗った潤滑油は停滞することなく、かつ抵抗少なく円滑に、蒸発器４から排出されて膨張機５へと移送されるので、効率良く、安定に潤滑油を循環させ、膨張機５およびポンプ３を潤滑することが可能となる。

本発明の冷媒循環方法が適用されるランキンサイクル装置の１例を示す系統図。 図１に示された蒸発器の１例を模式的に示す分解斜視図及び蒸発器４の流路４ｂを示す部分拡大斜視図。 図２（ｂ）におけるIII−III矢視の部分断面図。

まず、図面に基づいて、本発明のランキンサイクル装置の基本的な動作について、説明する。
図１は本発明のランキンサイクル装置１の構造の１例を示すものである。
その主要機器として、ポンプ３、蒸発器４、膨張機５および凝縮器６が設けられ、それらの間が冷媒循環路２により接続されている。冷媒循環路２は、好ましくは断熱材で覆われた配管などで構成する。

ポンプ３は液状冷媒を蒸発器４に供給するもので、例えばダイヤフラム式、ピストン式、渦巻き式、ギア式などのポンプ本体をモータ等の駆動源で駆動し、低圧の液状冷媒を高圧の液状冷媒に昇圧して圧送するためのものである。
そのポンプ３は回転速度の調整が可能な可変速ポンプであり、ポンプ３に電力を供給する電力制御部１４によりその回転速度を調整する。電力調整部１４は電源である交流電力をインバータ制御により調整するもので、その調整はコンピュータ等で構成される制御装置１５からの制御信号により行われる。

蒸発器４は、ポンプ３から供給される高圧の液状冷媒を熱媒で加熱し、高温高圧の冷媒蒸気を生成して膨張機５に供給するものである。熱源としては例えば、自動車の排熱、産業排熱、地熱、温泉等などが利用できる。蒸発器４は一種の熱交換器であり、その内部に熱媒を流通させる複数の流路４ａと、冷媒を流通させる複数の流路４ｂが交互に積層されている。

膨張機５は蒸発器４から供給される高温高圧の冷媒蒸気が膨張する際に為した仕事を、回転運動として動力に変換するものである。
膨張機５は、一般に、ピストン式、スクロール式、タービン式などがある。
この膨張機５には、回転運動をする出力軸に発電機７が連結され、発電機７で発生した交流電力は直流変換器８で直流に変換される。その電力はパワーコンディショナー９を経由して、例えば、照明器具１０に出力される。

凝縮器６は膨張機５で膨張した後の低温低圧の冷媒蒸気を冷却して低温の液状冷媒に変換するものであり、凝縮器６の内部には冷媒を冷却する冷水や空気を流通させる流路６ａと冷媒を流通させる流路６ｂが配置されている。凝縮器６から流出する低温の液状冷媒は冷媒循環路２を経てポンプ３に循環される。

図１の例では、冷媒循環路２に膨張機５をバイパスするバイパス流路１１が設けられている。バイパス流路１１は膨張機５の入口側の冷媒循環路２と出口側の冷媒循環路２とを配管で連通することにより構成される。バイパス流路１１には開閉弁１２が設けられ、さらに膨張機５の入口側の冷媒流通路２にも開閉弁１３が設けられる。これら開閉弁１２、１３の開閉切り替え操作により、冷媒を膨張機５に供給するか、または一時的に冷媒を膨張機５に供給せずバイパスさせるかを選択する。

定常運転時には開閉弁１２が閉じられ、開閉弁１３が開けられているが、冷媒循環路２を循環する冷媒について膨張機５をバイパスさせる必要が生じたときは、制御装置１５から開閉弁１２，１３に開閉指令が出され、開閉弁１２が開けられ、開閉弁１３が閉じられる。

図２と図３は、図１に示す蒸発器４の１例である。図２は蒸発器４の１例を模式的に示す分解斜視図であり、図２（ａ）は蒸発器４全体の分解斜視図、図２（ｂ）は蒸発器４の流路４ｂの部分拡大斜視図である。さらに図３は、図２（ｂ）のIII−III矢視の部分断面図である。

蒸発器４には熱媒の流体管路に連通する熱媒入口部１６と熱媒出口部１７、冷媒循環路２に連通する冷媒入口部１８と冷媒出口部１９が設けられる。熱媒入口部１６と熱媒出口部１７の間に複数の熱媒を流通させる流路４ａが連通され、冷媒入口部１８と冷媒出口部１９の間に複数の冷媒を流通させる流路４ｂが連通しており、これら流路４ａ、４ｂは図３のように交互に積層されている。

冷媒を流通させる流路４ｂの内部には、熱伝達率の向上のためのフィンが設けられている。フィンとしては各種のフィンが使用可能であるが、本例ではストレートフィン４ｃが設けられている。

図３に示すストレートフィン４ｃは、上下に延びる長手方向の断面が波型に形成されており、波型の頂部と底部がそれぞれ流路４ｂの内壁に接している。そのためストレートフィン４ｃによって形成される多数の小流路４ｄが互いに独立した状態で冷媒の流通方向、即ち、鉛直上下方向に直線状に延長される。なおストレートフィン４ｃの形状は図３に示すような波型断面以外に、台形または方形の断面を有するものであってもよい。

冷媒が流通する流路４ｂをこのような形状にすると、流路内を流通する冷媒が多数の互いに独立した小流路４ｄに分流し、それぞれ独立に且つ直線状に流通する。そのため小流路４ｄにおいて流体の混合や分離が起こらず、且つ流通方向の流通抵抗も小さいので、冷媒は円滑に流通する。
その結果、冷媒に同伴して冷媒入口部１８から小流路４ｄに供給された潤滑油は、蒸発器４への冷媒供給量の増加に伴って増速した流れに乗って、滞留することなく冷媒出口部１９から排出され膨張機５へと移送される。
なお、小流路の断面形状は、円形、楕円形、長円形または台形のいずれでもよい。

次に、図１に示すランキンサイクル装置１における潤滑油の循環方法について説明する。
運転開始に先立って、図示しない供給口からランキンサイクル装置１に冷媒および所定の混合量の潤滑油を注入しておく。上記混合量について具体例を挙げると、潤滑油の混合量は冷媒に対して５〜２０重量％が好ましいことが、実験によって確認されている。

冷媒循環路２に連通するポンプ３および膨張機５の回転部分は、循環する冷媒に混合された潤滑油に常に接しており、その潤滑油が回転部分に浸透する作用により潤滑性が維持される。

ただし、蒸発器４の運転を継続すると、蒸発器４において冷媒が流通する流路４ｂ内に、潤滑油の一部が滞留し始める。
その理由は、蒸発器４において、冷媒は熱媒で加熱されて冷媒蒸気となって蒸発器４から流出するが、冷媒より高い沸点を有する潤滑油はほとんど蒸発せず、その一部が冷媒蒸気の流れに乗って蒸発器４から流出するのみだからである。この状態を放置していると、蒸発器４における潤滑油の滞留が進行し、回転部分を循環する潤滑油が不足してしまう。
なお、潤滑油の密度が冷媒の密度より小さい場合、潤滑油は主に蒸発器４の液面付近に滞留する。

しかし、この問題は前述のように、蒸発器４における蒸発量を超える量の冷媒をポンプ３から蒸発器４に一時的または連続的に供給することにより、蒸発器４の液面が上昇し、滞留していた潤滑油が、冷媒の流れに乗って蒸発器４の出口側から排出され、さらに膨張機５へと移送され、冷媒循環路２を循環することによって解決される。
なお、この解決方法の効果は、本発明者らの実験によって確かめられている。

本発明による潤滑方法は、エンジン排熱、産業排熱、地熱、温泉等を熱媒とするランキンサイクル装置による発電、特に低温熱媒による小規模分散型のバイナリランキンサイクル発電に利用できる。

１ ランキンサイクル装置
２ 冷媒循環路
３ ポンプ
４ 蒸発器
４ａ 流路
４ｂ 流路
４ｃ ストレートフィン
４ｄ 小流路

５ 膨張機
６ 凝縮器
６ａ 流路
６ｂ 流路
７ 発電機
８ 直流変換器
９ パワーコンディショナー
１０ 照明器具

１１ バイパス流路
１２ 開閉弁
１３ 開閉弁
１４ 電力調整部
１５ 制御装置
１６ 熱媒入口部
１７ 熱媒出口部
１８ 冷媒入口部
１９ 冷媒出口部

Claims (7)

1. 冷媒循環路（２）にポンプ（３）、蒸発器（４）、膨張機（５）および凝縮器（６）が設けられ、ポンプ（３）から蒸発器（４）に供給される高圧の液状冷媒が蒸発器（４）で熱媒との熱交換により高温高圧の冷媒蒸気となって膨張機（５）に供給され、膨張機（５）から流出する低温低圧の冷媒蒸気が凝縮器（６）を経てポンプ（３）に循環するように構成したランキンサイクル装置において、
   冷媒循環路（２）を循環する冷媒に予め潤滑油を混合しておき、
   蒸発器（４）内部に滞留した潤滑油に対しては、蒸発器（４）における冷媒の蒸発量を超える量の冷媒をポンプ（３）から蒸発器（４）に一時的に供給し、蒸発器（４）の液面を上昇させることによって、蒸発器（４）の液面付近に滞留した潤滑油を蒸発器（４）内部から膨張機（５）側の冷媒循環路（２）に排出し、
   冷媒とともに潤滑油をランキンサイクル全体に循環させることを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法。
2. 請求項１に記載の潤滑方法において、
   蒸発器(4)における冷媒の蒸発量を超える量の冷媒をポンプ(3)から蒸発器(4)に間欠的に一定時間ずつ供給することによって、蒸発器(4)内部に滞留した潤滑油を蒸発器(4)内部から膨張機(5)側の冷媒循環路(2)に排出することを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法。
3. 冷媒循環路（２）にポンプ（３）、蒸発器（４）、膨張機（５）および凝縮器（６）が設けられ、ポンプ（３）から蒸発器（４）に供給される高圧の液状冷媒が蒸発器（４）で熱媒との熱交換により高温高圧の冷媒蒸気となって膨張機（５）に供給され、膨張機（５）から流出する低温低圧の冷媒蒸気が凝縮器（６）を経てポンプ（３）に循環するように構成したランキンサイクル装置において、
   冷媒循環路（２）を循環する冷媒に予め潤滑油を混合しておき、
   蒸発器（４）内部に滞留した潤滑油に対しては、蒸発器（４）における冷媒の蒸発量を超える量の冷媒をポンプ（３）から蒸発器（４）に連続的に供給し、蒸発器（４）の液面を上昇させることによって、蒸発器（４）の液面付近に滞留した潤滑油を蒸発器（４）内部から膨張機（５）側の冷媒循環路（２）に排出し、
   冷媒とともに潤滑油をランキンサイクル全体に循環させることを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法。
4. 請求項３に記載の潤滑方法において、
   膨張機(5)及びポンプ(3)の回転部分を循環する潤滑油の混合量は冷媒に対して５〜２０重量％であり、
   蒸発器(4)における冷媒の蒸発量に対し１．０５〜１．２０倍の質量流量の潤滑油混合冷媒を連続的に蒸発器(4)に供給することを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法。
5. 請求項３に記載の潤滑方法において、
   冷媒循環路(2)に膨張機(5)をバイパスするバイパス流路(11)を設け、
   蒸発器(4)における冷媒の蒸発量を超える量の冷媒をポンプ(3)から蒸発器(4)に連続的に供給している際に、さらに一時的に冷媒の供給量を増加し、
   その増加させている間は蒸発器(4)から流出する冷媒の流路を、膨張機(5)をバイパスするバイパス流路(11)に切り替えることを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の潤滑方法において、
   蒸発器(4)内部の冷媒流路は、互いに独立した複数の小流路(4d)に区画されており、それらの小流路(4d)は蒸発器(4)の出口側に向かって形成されていることを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法。
7. 請求項６に記載の潤滑方法において、
   互いに独立した複数の小流路(4d)がストレートフィン(4c)により形成されていることを特徴とするランキンサイクル装置における潤滑方法。

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