JP7411433B2 - レシプロ膨張機及びランキンサイクル装置 - Google Patents

Description

本開示は、レシプロ膨張機及びランキンサイクル装置に関する。

従来、斜板式圧縮機等の流体機械が知られている。

例えば、特許文献１には、斜板式圧縮機が記載されている。この斜板式圧縮機は、斜板室内に収容されたスラストベアリング等の部品の潤滑を斜板室の下方に設けたオイル貯留室のオイルによって行う。この斜板式圧縮機において、吐出室と斜板室又はオイル貯留室の少なくとも一方とを結ぶ通路がハウジング外壁に沿って配設され、その通路の斜板室又はオイル貯留室寄りに絞り部が設けられている。

特開平３－９０８５号公報

本開示は、ピストンとシリンダとの間の摺動部における摩耗の発生が抑制され、信頼性向上の観点から有利なレシプロ膨張機を提供する。

本開示におけるレシプロ膨張機は、
シャフトと、
前記シャフトの周囲に配置されたシリンダと、
前記シリンダの内部を往復動するピストンと、
前記シリンダの内部における前記ピストンの往復動により変化する体積を有する作動室と、
オイルが貯留されているオイル溜まりと、
前記オイル溜まりから前記ピストンへ前記オイルを導く供給路と、を備える。

上記のレシプロ膨張機によれば、ピストンとシリンダとの間の摺動部における摩耗の発生が抑制され、信頼性向上の観点から有利である。

実施の形態１におけるレシプロ膨張機の断面図 図１のレシプロ膨張機における機構部を拡大した断面図 図１のIII-III線に沿った断面図 図１に示すレシプロ膨張機におけるピストンの斜視図 レシプロ膨張機におけるピストンの変位とクランク角との関係を示すグラフ レシプロ膨張機におけるバルブの開閉とクランク角との関係を示すグラフ レシプロ膨張機における第一通路の開閉とクランク角との関係を示すグラフ レシプロ膨張機における作動室の圧力とクランク角との関係を示すグラフ 実施の形態２におけるレシプロ膨張機の断面図 図６に示すレシプロ膨張機における機構部を拡大した断面図 図６のVIII-VIII線に沿った断面図 図８のIX-IX線に沿ってシリンダブロックを斜め下から見た断面図 実施の形態３におけるランキンサイクル装置の構成図 他の実施の形態におけるレシプロ膨張機の断面図

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らが本開示を想到するに至った当時、太陽光などの自然エネルギー又は各種排熱を利用するシステムの一つとして、ランキンサイクルを有する発電システムがあった。このようなランキンサイクルでは、例えば、熱源に接する蒸発器で作動流体が温められ、高温かつ高圧の作動流体によって膨張機を作動させ、膨張機によって生成された動力によって発電がなされる。

このような膨張機では、例えば、オイルを各摺動部へ供給して潤滑することによって、膨張機構を構成する摺動部品の摩耗等を防止し、信頼性を確保することが考えられる。しかし、膨張機の内部の各摺動部へ供給されたオイルが作動流体とともにサイクルへ流出すると、蒸発器へオイルが流入し、蒸発器の内部でオイルが温められ、オイルの劣化が進むことが想定される。この場合、劣化したオイルがサイクルを循環して再び膨張機へ流入することにより、膨張機の内部のオイルも徐々に劣化し、このことが膨張機の信頼性を低下させる一因となることが懸念される。このため、ランキンサイクルでは、オイルの劣化を防止する観点から、サイクルを循環するオイルの量を少なくすることが有利であると考えられる。

例えば、容積型の流体機械の一種である斜板式の流体機械は、従来、カーエアコン用の圧縮機として広く用いられている。斜板式圧縮機では、斜板が回転する斜板室の内部でオイルを飛散させ、各摺動部の潤滑を行う方法が知られている。加えて、カーエアコン用の斜板式圧縮機におけるピストンとシリンダとの間の摺動部への給油として、サイクルから吸入した作動流体に含まれるミスト状のオイルを付着させる方法も考えられる。

上記の通り、ランキンサイクルの膨張機において、オイルの劣化防止の観点からサイクルで循環するオイルの量を少なくすることが望ましい。このため、斜板式の流体機械等のレシプロ式の流体機械をランキンサイクルの膨張機として使用する場合に、吸入された作動流体に含まれるオイルによる潤滑の効果を期待することは難しい。なお、ピストンとシリンダとの間の摺動部では、ピストンがシリンダに対して往復動するので、その摺動部にオイルが介在していても回転運動している摺動部に比べて油圧が発生しにくい。このため、ピストンとシリンダとの間の摺動部では、油膜が薄くなりやすく、耐久性の確保が難しくなることも想定される。

発電システムに用いられるランキンサイクル装置では、発電システムの発電効率を高めるためには、膨張機へ吸入される作動流体の温度が高いことが有利である。一方、作動流体の温度が高いことにより、摺動部におけるオイルの温度も上昇しやすい。その結果、オイルの粘度が低下し、摺動部の潤滑状態が良好とは言い難い状態になることも想定される。また、ランキンサイクル装置は、カーエアコンとは異なり、長期間の運転を前提としている。このため、ランキンサイクル装置の膨張機には長期間の運転が必要とされ、ランキンサイクル装置の膨張機が高い信頼性を有することが重要である。

従来のレシプロ式の流体機械をランキンサイクルの膨張機として用いると、ピストンとシリンダとの間の摺動部へのオイルの供給量を十分に高めること、又は、摺動部におけるオイルの温度上昇を防止することが困難である。このため、従来のレシプロ式の流体機械をランキンサイクルの膨張機として用いると、ピストンとシリンダとの間の摺動部における潤滑不足又はオイルの粘度の低下により、摩耗が増加して信頼性が低下するという課題を発明者らは発見した。本発明者らは、この課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、ピストンとシリンダとの間の摺動部における摩耗の発生が抑制され、信頼性向上の観点から有利なレシプロ膨張機を提供する。

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細な説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１、図２、図３、図４、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、及び図５Ｄを用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１、図２、及び図３に示す通り、レシプロ膨張機１ａは、シャフト１０と、シリンダ２４と、ピストン２５と、作動室２６と、オイル溜まり４０と、供給路７０とを備えている。シリンダ２４は、シャフト１０の周囲に配置されている。ピストン２５は、シリンダ２４の内部を往復動する。作動室２６は、シリンダ２４の内部におけるピストン２５の往復動により変化する体積を有する。オイル溜まり４０には、オイルが貯留されている。オイル溜まり４０は、典型的には、レシプロ膨張機１ａの内部に形成されている。供給路７０は、オイル溜まり４０からピストン２５へオイルを導く。

図１に示す通り、レシプロ膨張機１ａは、例えば、密閉容器５０、機構部２０、及び発電機３０を備えている。機構部２０及び発電機３０は、密閉容器５０の内部に配置されている。機構部２０は、シャフト１０、シリンダ２４、ピストン２５、作動室２６、供給路７０の少なくとも一部を含んでいる。加えて、機構部２０の内部には、吸入室５３及び吐出室５４が形成されている。密閉容器５０の内部には、下部空間５６が形成されている。発電機３０は、例えば、下部空間５６に配置されている。

レシプロ膨張機１ａは、例えば、ランキンサイクルに用いられる。このため、密閉容器５０の内部の所定の空間には、例えば、ランキンサイクルで使用可能な作動流体が封入されている。ランキンサイクルで使用可能な作動流体は、例えば、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）系の作動流体、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系の作動流体、又はイソペンタン等の炭化水素系の作動流体である。

図１に示す通り、密閉容器５０には、例えば、吸入管５１及び吐出管５２が取り付けられている。吸入管５１は吸入室５３に接続されている。吐出管５２は下部空間５６に接続されている。換言すると、吸入管５１の一端は吸入室５３に接し、吐出管５２の一端は下部空間５６に接している。

発電機３０は、例えば、固定子３１と、回転子３２とを備えている。固定子３１は、例えば、鉄心と、その鉄心に巻かれた銅線とを備えている。回転子３２には、例えば、永久磁石が内蔵されている。固定子３１は、例えば、密閉容器５０の内面に固定されている。一方、回転子３２は、固定子３１の内面に面して配置されており、シャフト１０に取り付けられている。

機構部２０は、例えば、下ブロック２１及びシリンダブロック２２を備えている。下ブロック２１は、例えば板状の部品であり、下ブロック２１の周縁は、溶接等の方法によって密閉容器５０の内面に接合されている。これにより、機構部２０が密閉容器５０に固定されている。下ブロック２１は、例えば、下軸受２１ｂを有する。下ブロック２１の中央部分は、例えば、円筒状に形成されている。下軸受２１ｂは、下ブロック２１の中央部分に形成された孔をなす面によって構成されている。下ブロック２１は、例えば、連通穴２１ａを有する。連通穴２１ａは、下ブロック２１の上方の空間と下ブロック２１の下方の下部空間５６とを連通させている。

シリンダブロック２２は、下ブロック２１の上面に固定されている。これにより、シリンダブロック２２の下端に形成された開口が下ブロック２１によって塞がれ、シリンダブロック２２と下ブロック２１とによって囲まれた空間によって吐出室５４が形成されている。シリンダブロック２２は、例えば、上軸受２２ａを有する。上軸受２２ａは、例えば、シリンダブロック２２の中央部分に形成された孔をなす面によって構成されている。その孔は、シリンダブロック２２の中央における円筒状の部分によって形成されている。

図２に示す通り、シリンダブロック２２には、例えば、ハウジング２２ｂが形成されている。ハウジング２２ｂは、円環状の空間であり、ハウジング２２ｂの軸線は、上軸受２２ａの軸線上に位置する。図３に示す通り、シリンダブロック２２は、例えば、吐出通路２２ｄを有する。吐出通路２２ｄは、ハウジング２２ｂと吐出空間５４とを連通させている。

図２及び３に示す通り、シリンダ２４は、シリンダブロック２２の上軸受２２ａの周囲に形成されている。シリンダブロック２２には、例えば、６つのシリンダ２４が形成されており、これらのシリンダ２４は、上軸受２２ａの周囲においてシャフト１０の軸線周りに等間隔で配置されている。各シリンダ２４は、円柱状の孔をなしている。シリンダブロック２２の各シリンダ２４とハウジング２２ｂとの間には、吸入吐出口２２ｃが形成されている。吸入吐出口２２ｃは、シリンダブロック２２の各シリンダ２４とハウジング２２ｂとの間に形成された開口である。

機構部２０は、例えば、６つのシリンダ２４に対応して６つのピストン２５を備えている。図４に示す通り、各ピストン２５は、例えば、円筒部２５ａと、保持部２５ｂとを備えている。各ピストン２５は、例えば、円筒部２５ａが往復動可能な状態でシリンダ２４に挿入されている。円筒部２５ａの上端部には、テーパ部２５ｃが形成されている。

機構部２０は、例えば、斜板２８及びホルダ２８ａをさらに備えている。斜板２８は、円盤状の部品であり、ホルダ２８ａによってシャフト１０に固定されている。斜板２８は、シャフト１０の周囲において環状の平面部を有し、その平面部の法線はシャフト１０の軸線に対して傾斜している。加えて、斜板２８のその平面部は、シャフト１０の軸線に垂直な平面に対しても傾斜している。

シャフト１０は、上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂとの間に小さなクリアランスを形成した状態で回転可能に上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂに挿入されている。これにより、シャフト１０が半径方向に支持される。一方、機構部２０は、例えば、スラスト軸受２７をさらに備えている。スラスト軸受２７は、例えば、玉軸受である。スラスト軸受２７は、シャフト１０の軸線方向において、ホルダ２８ａと下ブロック２１との間に配置されている。スラスト軸受２７は、例えば、転動体として鋼球を備えている。

図２に示す通り、機構部２０は、例えばヘッド２３をさらに備えている。ヘッド２３は、例えば、環状かつ板状の部品である。ヘッド２３は、シリンダブロック２２の上端に取り付けられている。

上記の通り、各シリンダ２４にはピストン２５の円筒部２５ａが挿入されている。機構部２０において、作動室２６は、例えば、シリンダ２４、ピストン２５、及びヘッド２３によって囲まれた空間として形成されている。

機構部２０は、例えば、シュー２８ｂをさらに備えている。シュー２８ｂは、上シュー２８ｍ及び下シュー２８ｎを含む。シュー２８ｂは、斜板２８の周縁部に取り付けられている。各ピストン２５は、シュー２８ｂによって斜板２８に連結されている。斜板２８は、シャフト１０とともに回転する。斜板２８の回転位置により、各ピストン２５の、各シリンダ２４の内部における位置が定まる。加えて、斜板２８の傾斜角度により、各ピストン２５のストロークが定まる。６つのピストン２５は、シャフト１０の軸線周りに等間隔で配置されているので、これらのピストン２５は、シャフト１０の回転に伴い、所定の位相差で互いに連動して往復動する。

図２に示す通り、機構部２０は、例えば、バルブ６０をさらに備えている。バルブ６０は、略円筒形状を有し、吸入用凹部６０ａ及び吐出用凹部６０ｂを有する。バルブ６０は、例えば、シャフト１０の上端部に取り付けられており、ハウジング２２ｂに回転可能な状態で収納されている。機構部２０は、例えば、カバー２９をさらに備えている。カバー２９によって、ハウジング２２ｂが覆われている。吸入管５１は、例えば、カバー２９に取り付けられている。吸入室５３は、例えば、ハウジング２２ｂ、カバー２９、及びバルブ６０によって囲まれた空間として形成されている。

シャフト１０の回転に伴いバルブ６０と各シリンダ２４との位置関係が変化することにより、吸入用凹部６０ａ及び吐出用凹部６０ｂと吸入吐出孔２２ｃとが連通して、バルブ６０が開閉する。これにより、シャフト１０の回転に伴い、バルブ６０によって、吸入室５３から作動室２６に至る吸入経路と、作動室２６から吐出室５４に至る吐出経路とが所定のタイミングで開閉する。

図１及び図２に示す通り、供給路７０は、例えば、オイル溜まり４０からピストン２５の近くまで延びている。供給路７０は、例えば、第一通路７１と、第二通路７２とを含む。第一通路７１は、シリンダ２４の内面に開口している開口端７１ａを有する。第二通路７２は、シャフト１０に形成されている。

第一通路７１は、例えば、シリンダブロック２２の中央における円筒状の部位をシャフト１０の半径方向に貫通している。また、第一通路７１は、例えば、第二通路７２とシリンダ２４の内面とを最短距離で結ぶ通路である。

第一通路７１は、例えば、ピストン２５が下死点及び下死点の近くに位置しているときに作動室２６に連通している。換言すると、開口端７１ａの位置は、ピストン２５が下死点に位置するときに、ピストン２５の上端面の近傍に位置している。

一方、第一通路７１は、ピストン２５が下死点及び下死点の近くの位置以外の位置にあるときには、作動室２６に連通していない。

ピストン２５の往復方向において、開口端７１ａと下死点におけるピストン２５の上端面との距離Ｄ_71aは、特定の値に限定されない。下死点におけるピストン２５の上端面と上死点におけるピストン２５の上端面との間の距離Ｄ_Sに対する距離Ｄ_71aの比（Ｄ_71a／Ｄ_S）は、例えば、０．１以下である。

第二通路７２は、例えば、シャフト１０の内部に形成された縦穴７２ａ及び横穴７２ｂを含む。縦穴７２ａは、シャフト１０の軸線方向に延びている。横穴７２ｂは、縦穴７２ａの所定の位置からシャフト１０の半径方向外側に延び、シャフト１０の外周面に開口している。図２及び図３に示す通り、シリンダブロック２２の上軸受２２ａには、例えば、環状溝２２ｅが形成されている。環状溝２２ｅは、第一通路７１の開口端７１ａと反対側の端には環状溝２２ｅに接した開口が形成されている。第一通路７１の断面積は、例えば、縦穴７２ａの断面積及び横穴７２ｂの断面積よりも小さい。第一通路７１の直径は、例えば２ｍｍ以下である。

図１に示す通り、レシプロ膨張機１ａは、例えば、オイルポンプ７３及び吸込管７４をさらに備えている。オイルポンプ７３は、供給路７０に配置されている。オイルポンプ７３は、例えば、ギヤポンプ等の容積型のポンプである。オイルポンプ７３は、例えば、シャフト１０の下端に取り付けられており、シャフト１０の回転により駆動される。吸込管７４の内部はオイルポンプ７３の吸入部に連通しており、吸込管７４の下端は、オイル溜まり４０に浸漬している。縦穴７２ａは、例えば、オイルポンプ７３の吐出部に連通している。

このような構成によれば、供給路７０は、オイル溜まり４０から、吸込管７４、オイルポンプ７３、縦穴７２ａ、横穴７２ｂ、環状溝２２ｅ、及び第一通路７１を経由して、作動室２６に至る経路として形成されている。オイル溜まり４０は、例えば、下部空間５６の底部に形成されている。

［１－２．動作］
以上のように構成されたレシプロ膨張機１ａについて、その動作を、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、及び図５Ｄを参照しつつ説明する。図５Ａは、シャフト１０が１回転する期間における特定のピストン２５の変位を示す。図５Ｂは、その期間における特定のピストン２５に接する作動室２６に対するバルブ６０の開閉時期を示す。図５Ｃは、その期間における第一通路７１のその作動室２６への開閉時期を示す。図５Ｃにおいて、第一通路７１がその作動室２６に連通している状態が「開」に対応している。図５Ｄは、その期間におけるその作動室２６の圧力を示す。他のピストン２５と、他のピストン２５に対応した作動室２６との組み合わせにおいても、特定のピストン２５と比較してクランク角に関する位相差は存在するものの同様の挙動が示される。

吸入管５１及び吐出管５２は、例えば、レシプロ膨張機１ａの外部の作動流体の経路に接続されている。これにより、吸入室５３は高圧に保たれ、吐出室５４及び下部空間５６は低圧に保たれている。吸入管５１を通って、吸入室５３には高温高圧の作動流体が流入する。図２に示すバルブ６０の状態では、より小さな体積を有する作動室２６は、吸入行程にあり、吸入用凹部６０ａと連通している。吸入行程における作動室２６の圧力は高い。一方、その作動室２６に接したピストン２５の下方の吐出室５４の圧力は低いので、この圧力差により、そのピストン２５には下向きの力が働く。一方、より大きな体積を有する作動室２６は、吐出行程にあり、吐出用凹部６０ｂ及び吐出通路２２ｄによって吐出室５４に連通している。その結果、その作動室２６の圧力はピストン２５の下方の吐出室５４と同様に低く、その作動室２６に接するピストン２５には作動流体の圧力差に伴う力は発生しない。

このように、より小さな体積を有する作動室２６に接したピストン２５には、下向きの力が働き、そのピストン２５が下降してシャフト１０が回転駆動される。シャフト１０の回転に伴い、ピストン２５が下降し、そのピストン２５に接する作動室２６の体積は大きくなる。これにより、吸入室５３から吸入用凹部６０ａを通過してその作動室２６に高温高圧の作動流体が流入する。シャフト１０がさらに回転すると、バルブ６０が閉じて、その作動室２６への作動流体の流入は止まる。一方、その作動室２６の体積はさらに大きくなり、作動室２６の内部の作動流体が膨張する。この膨張行程において、作動流体の膨張に伴い作動室２６の圧力が低下し、その温度も低下する。膨張行程において、作動室２６の内部の圧力は低下しても、その圧力は、ピストン２５の下方の吐出室５４の圧力よりは高い。このため、膨張行程における作動室２６に接したピストン２５には下向きの力が働く。

一方、図２において、吐出行程にある作動室２６に接したピストン２５は、シャフト１０の回転に伴い上昇する。これにより、作動室２６の体積が減少するので、作動室２６から吐出用凹部６０ｂ及び吐出通路２２ｄを通って吐出室５４へ低温低圧の作動流体が流出する。さらに、吐出室５４の作動流体は、連通穴２１ａ、下部空間５６、及び吐出管５２の内部を通って、レシプロ膨張機１ａの外部へ流出する。

図１に示す通り、ピストン２５の往復動の方向は、例えば、シャフト１０の長手方向に平行である。

６つの作動室２６において、所定の位相差が保たれた状態で、作動流体の吸入、作動流体の膨張、及び作動流体の吐出が行われ、各作動室２６の圧力が変化する。その結果、ピストン２５によってシャフト１０が連続して駆動され動力を得ることができる。レシプロ膨張機１ａは６つの作動室２６を備えているので、作動流体を連続して吸入することが可能であり、安定的にレシプロ膨張機１ａを駆動できる。

シャフト１０とともに回転子３２が回転することにより、発電機３０において発電が行われ、電力を得ることができる。レシプロ膨張機１ａは６つの作動室２６を備えているので、レシプロ膨張機１ａで発生するトルクの変動が小さく、出力電力が安定しやすい。

このように、レシプロ膨張機１ａにおいて、吐出管５１を通って吸入された高温高圧の作動流体は、作動室２６で膨張し、低温低圧の状態で吐出室５４及び下部空間５６を通ってレシプロ膨張機１ａの外部に流出する。このため、下部空間５６の作動流体の温度は、作動室２６に吸入される作動流体の温度よりも低い。

オイル溜まり４０に貯留されたオイルは、例えば、作動室２６に吸入される作動流体が有する温度よりも低い温度を有する。例えば、オイル溜まり４０とピストン２５との間には、吐出空間５４が存在する。下部空間５６における作動流体の温度は低いので、下部空間５６の底部に形成されたオイル溜まり４０に貯留されたオイルの温度も低い。

シャフト１０の回転に伴い、オイルポンプ７３が作動し、オイル溜まり４０に貯留されたオイルは、吸込管７４から吸い込まれ、シャフト１０の縦穴７２ａに吐出される。その後、縦穴７２ａを上昇したオイルは、横穴７２ｂを通過して環状溝２２ｅに供給される。第一通路７１の開口端７１ａは、ピストン２５がその下死点及び下死点の近くに位置していないときは、ピストン２５の円筒部２５ａの側面によって塞がれている。

図２では、より小さな体積を有する作動室２６に接したピストン２５は、下死点の近くに位置しており、第一通路７１がその作動室２６に連通している。このため、環状溝２２ｅにおけるオイルは、第一通路７１を通って作動室２６に供給される。図５Ｃに示す通り、第一通路７１が作動室２６に連通する期間は、ピストン２５が下死点及び下死点の近くに位置している期間である。このとき、この作動室２６は、膨張行程から吐出行程に変化する低圧の状態に保たれている。

ピストン２５の下死点におけるシャフト１０のクランク角をθ_B［°］と表す。例えば、シャフト１０のクランク角θ_Cがθ_B－３０°≦θ_C≦θ_B＋３０°である期間に、第一通路７１は作動室２６に連通している。望ましくは、θ_B－２０°≦θ_C≦θ_B＋２０°である期間に、第一通路７１は作動室２６に連通している。第一通路７１の直径は２ｍｍ以下と小さいので、オイルの粘性摩擦により少量のオイルが作動室２６に供給される。作動室２６に供給されたオイルは、ピストン２５の上端に付着し、ピストン２５が下死点から上昇する動きに伴いピストン２５とシリンダ２４との間に引き込まれ、ピストン２５とシリンダ２４との摺動部を潤滑する。特に、ピストン２５の上端部にはテーパ２５ｃが形成されているので、ピストン２５の上昇に伴い、オイルが摺動部に引き込まれやすい。このため、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑がより確実になされやすい。

ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部に引き込まれたオイルの一部は、ピストン２５の下方の吐出室５４に排出される。ピストン２５の上端に付着したオイルの一部は、吐出行程において作動流体とともに作動室２６から吐出室５４に排出される。吐出室５４に存在するオイルは、連通穴２１ａを通って下部空間５６に移動する。下部空間５６では、作動流体の流速は低下しているので、重力によるオイルの落下又はオイルの密閉容器５０の内面等の所定の面への付着等が生じる。これにより、作動流体とオイルとが分離され、重力によってオイルが下方に集まる、これにより、オイルは、下部空間５６の底部に形成されたオイル溜まり４０に再び貯留される。

上記の通り、オイル溜まり４０に貯留されるオイルの温度が低いので、供給路７０を通ってピストン２５へ低温のオイルが供給される。これにより、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部におけるオイルの粘度の低下が抑制され、摺動部の潤滑がより確実になされやすい。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、レシプロ膨張機１ａは、シャフト１０と、シリンダ２４と、ピストン２５と、作動室２６と、オイル溜まり４０と、供給路７０とを備えている。シリンダ２４は、シャフト１０の周囲に配置されている。ピストン２５は、シリンダ２４の内部を往復動する。作動室２６は、シリンダ２４の内部におけるピストン２５の往復動により変化する体積を有する。オイル溜まり４０には、オイルが貯留されている。供給路７０により、オイル溜まり４０からピストン２５へオイルが供給される。

オイル溜まり４０から供給路７０を通ってピストン２５へオイルが供給されることにより、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部へ低温のオイルを供給できる。このため、摺動部へのオイルの供給と、摺動部におけるオイルの温度の低減とを両立でき、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑状態が良好になりやすい。その結果、作動室２６に高温の作動流体が吸入されても、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部における摩耗が抑制され、レシプロ膨張機１ａは高い信頼性を有する。

本実施形態のように、供給路７０は、第一通路７１と、第二通路７２とを含んでいてもよい。第一通路７１は、シリンダ２４の内面に開口している開口端７１ａを有する。第二通路７２は、シャフト１０に形成されている。

これにより、第一通路７１を通ってピストン２５の近くに低温のオイルが供給され、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑状態がより確実に良好になりやすい。加えて、シャフト１０を用いて供給路７０の一部を形成できるので、供給路７０の形成に必要な部品点数を少なくできる。また、シャフト１０の回転をオイルの供給に利用することも可能である。

本実施形態のように、第一通路７１は、ピストン２５が下死点及び下死点の近くに位置しているときに作動室２６に連通してもよい。

これにより、作動室２６の温度が低い状態でピストン２５の上端面にオイルが供給される。その後、下死点からのピストン２５の上昇に伴い、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部にオイルが引き込まれる。このため、摺動部へのオイルの供給と、摺動部におけるオイル温度のさらなる低減とを両立でき、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑状態がより良好になりやすい。

本実施形態のように、第一通路７１は、ピストン２５が下死点及び下死点の近くの位置以外の位置にあるときには、作動室２６に連通していなくてもよい。

これにより、作動室２６の温度が高い状態でピストン２５の上端面にオイルが供給されることを防止でき、オイルが劣化しにくい。

本実施形態のように、オイル溜まり４０に貯留されたオイルは、作動室２６に吸入される作動流体が有する温度よりも低い温度を有していてもよい。

これにより、摺動部へのオイルの供給と、摺動部におけるオイルの温度の低減とをより確実に両立でき、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑状態がより確実に良好になりやすい。

（実施の形態２）
以下、図６、図７、図８、及び図９を用いて、実施の形態２を説明する。実施の形態２に係るレシプロ膨張機１ｂは、特に説明する部分を除き、レシプロ膨張機１ａと同様に構成されている。レシプロ膨張機１ａの構成要素と同一又は対応するレシプロ膨張機１ｂの構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。レシプロ膨張機１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、レシプロ膨張機１ｂにも当てはまる。

［２－１．構成］
図６、図７、及び図８に示す通り、レシプロ膨張機１ｂにおいて、第一通路７１の開口端７１ａは、ピストン２５の往復動の方向に延びているピストン２５の側面によって常に覆われている。換言すると、開口端７１ａは、ピストン２５が１往復する期間の全体にわたって、ピストン２５の往復動の方向に延びているピストン２５の側面によって覆われている。すなわち、開口端７１ａは、ピストン２５の位置に関わらず、ピストン２５の側面によって覆われている。一方、第一通路７１の開口端７１ａと反対側の端は環状溝２２ｅに接している。

レシプロ膨張機１ｂは、例えば、排出路２２ｆをさらに備えている。排出路２２ｆは、ピストン２５の背面に接した空間と第一通路７１とを連通させている。排出路２２ｆは、シリンダブロック２２に形成された溝である。ピストン２５の背面に接した空間は、例えば、吐出室５４である。

シリンダ２４には、例えば、シリンダ環状溝２４ａが形成されている。シリンダ環状溝２４ａは、第一通路７１に連通している。加えて、シリンダ環状溝２４ａと吐出室５４とは排出路２２ｆによって連通している。

図７に示す通り、各ピストン２５には、例えば、シリンダ環状溝２４ａと向かい合うようにピストン環状溝２５ｄが形成されている。

レシプロ膨張機１ｂにおいて、供給路７０は、オイル溜まり４０から、吸込管７４、オイルポンプ７３、縦穴７２ａ、横穴７２ｂ、環状溝２２ｅ、第一通路７１、シリンダ環状溝２４ａ、及び排出路２２ｆを経由して、吐出室５４に至る経路である。

［２－２．動作］
シャフト１０の回転に伴い、オイルポンプ７３が作動する。これにより、オイルポンプ７３は、オイル溜まり４０に貯留された低温のオイルを吸込管７４から吸入し、シャフト１０の縦穴７２ａへ吐出する。縦穴７２ａを上昇したオイルは、横穴７２ｂを通過して、シリンダブロック２２に形成された環状溝２２ｅに供給される。

図９に示す通り、環状溝２２ｅにおけるオイルは、第一通路７１を通過し、シリンダ環状溝２４ａに導かれる。図９における破線の矢印は、オイルの流れを示す。シリンダ環状溝２４ａは、ピストン２５の側面と向かい合っており、シリンダ環状溝２４ａにおけるオイルはピストン２５の表面に付着する。ピストン２５の往復動により、オイルはピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部に引き込まれ、この摺動部の潤滑を行う。このように、オイル溜まり４０に貯留された低温のオイルをピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部に供給できる。このため、摺動部へのオイルの供給と、摺動部におけるオイルの温度のさらなる低減とが両立でき、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑状態を良好な状態に保ちやすい。

上記の通り、ピストン２５にはピストン環状溝２５ｄが形成され、シリンダ環状溝２４ａとピストン環状溝２５ｄとが向かい合っていることにより、シリンダ環状溝２４ａにおけるオイルがピストン環状溝２５ｄに蓄積されやすい。ピストン環状溝２５ｄに蓄積されたオイルによって、シリンダ２４の内面にオイルが供給される。このように、ピストン環状溝２５ｄによって、ピストン２５とシリンダ２４のとの間の摺動部のより広い範囲にオイルを供給できる。その結果、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑の状態をより確実に良好な状態に保つことができる。

シリンダ環状溝２４ａのオイルは、排出路２２ｆを通ってピストン２５の下方の吐出室５４に排出され、その後、下部空間５６の底部に形成されたオイル溜まり４０に再び貯留される。このように、供給路７０によって常にオイルがオイル溜まり４０と摺動部との間を循環することにより、摺動部におけるオイルの温度上昇を防止できる。このため、摺動部へのオイルの供給と、摺動部におけるオイルの温度のさらなる低減とを両立でき、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑状態をより良好な状態に保つことができる。

レシプロ膨張機１ｂによれば、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部にオイルを直接供給でき、作動室２６の内部の作動流体にオイルが接触しにくい。このため、オイルの温度上昇をより確実に防止できる。このように、摺動部へのオイルの供給と、摺動部におけるオイルの温度のさらなる低減とを両立でき、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑状態をより良好な状態に保ちやすい。

［２－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、レシプロ膨張機１ｂでは、第一通路７１の開口端７１ａは、ピストン２５の往復動の方向に延びているピストン２５の側面によって常に覆われている。

これにより、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部へオイルを直接供給でき、高温となる作動室２６の内部の作動流体とオイルとが接触することによってオイルの温度が上昇することを防止できる。このため、オイルの粘度の低下を防止でき、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑が確実に行われる。その結果、作動室２６に高温の作動流体が吸入されても、ピストン２５の側面に供給されたオイルと作動室２６の内部の作動流体とが接触するリスクが低い。このため、オイルの温度上昇を抑制でき、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑状態を良好な状態を保つことができる。これにより、その摺動部における摩耗を抑制でき、レシプロ膨張機１ｂは高い信頼性を有する。

本実施の形態のように、レシプロ膨張機１ｂは、ピストン２５の背面に接した空間と第一通路７１とを連通させる排出路２２ｆをさらに備えていてもよい。

第一通路７１を通って、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部に直接供給されたオイルは、排出路２２ｆを通って排出される。常にオイルがオイル溜まり４０と摺動部との間を循環することにより、オイルの温度上昇を防止できる。このため、オイルの粘度低下を防止でき、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑がより確実に行われる。その結果、作動室２６へ高温の作動流体が吸入されても、オイルの温度上昇をより確実に抑制でき、摺動部の潤滑状態をより確実に良好な状態に保つことができる。これにより、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部における摩耗を抑制でき、レシプロ膨張機１ｂは高い信頼性を有する。

（実施の形態３）
以下、図１０を用いて、実施の形態３を説明する。

［３－１．構成］
図１０に示す通り、ランキンサイクル装置１００は、レシプロ膨張機１ａを備えている。

ランキンサイクル装置１００は、例えば、凝縮器１０２と、ポンプ１０３と、蒸発器１０４と、内部熱交換器１０５とをさらに備えている。内部熱交換器１０５は、第一流路１０６と、第二流路１０７とを備えている。ランキンサイクル装置１００は、蒸発器１０４、レシプロ膨張機１ａ、第二流路１０７、凝縮器１０２、ポンプ１０３、第一流路１０６、及び蒸発器１０４の順番で作動流体が流れる閉じた回路を有する。この回路は、蒸発器１０４、レシプロ膨張機１ａ、第二流路１０７、凝縮器１０２、ポンプ１０３、第一流路１０６、及び蒸発器１０４の順番でこれらを配管によって接続することによって形成されている。

蒸発器１０４は、熱源１０８が有する熱エネルギーを吸収する熱交換器である。蒸発器１０４は、例えば、フィンチューブ熱交換器である。例えば、蒸発器１０４において、熱源１０８から供給された高温蒸気等の高温の流体とランキンサイクル装置１００の作動流体とが熱交換する。これにより、作動流体が加熱され蒸発する。これにより、高温高圧の作動流体が生成される。

凝縮器１０２は、例えば、レシプロ膨張機１ａから吐出された作動流体と外気とを熱交換させることにより、作動流体を冷却して凝縮させ、外気へ熱を放出する。凝縮器１０２として、フィンチューブ熱交換器等の公知の熱交換器を使用できる。

ポンプ１０３は、凝縮器１０２を通過した作動流体を吸い込んで加圧し、加圧された作動流体を圧送する。ポンプ１０３は、例えば、ギヤポンプ等の容積型のポンプである。

内部熱交換器１０５は、レシプロ膨張機１ａから吐出された作動流体とポンプ１０３から吐出された作動流体とを熱交換させる。第二流路１０７をレシプロ膨張機１ａから吐出された作動流体が流れ、第一流路１０６をポンプ１０３から吐出された作動流体が流れる。内部熱交換器１０５は、例えばプレート式熱交換器である。

ランキンサイクル装置１００における作動流体は、望ましくは、有機作動流体である。この場合、熱源１０８から蒸発器１０４に供給される高温流体の温度が約３００℃未満であるときでも、レシプロ膨張機１ａにおいて高い効率で発電がなされやすい。

［３－２．構成］
ランキンサイクル装置１００は、例えば以下のように運転される。まず、ポンプ１０３を作動させ、ランキンサイクル装置１００の運転が開始する。その後、ランキンサイクル装置１００における作動流体の循環量が所定値に達したら、熱源１０８から蒸発器１０４に高温流体が供給される。これにより、ランキンサイクル装置１００の作動流体は、蒸発器１０４において高温流体から熱を受け取り、例えば、過熱状態の気相の作動流体に変化する。高温の気相の作動流体はレシプロ膨張機１ａへと送られる。レシプロ膨張機１ａの機構部２０において、作動流体の圧力エネルギーが機械エネルギーに変換され、発電機３０が駆動される。これにより、発電機３０によって電力が生成される。レシプロ膨張機１ａを通過した作動流体は、内部熱交換器１０５の第二流路１０７を通って凝縮器１０２に導かれる。作動流体は、凝縮器１０２において外気によって冷却され、凝縮する。凝縮した作動流体は、ポンプ１０３によって加圧され、内部熱交換器１０５の第一流路１０６を通って再び蒸発器１０４に送られる。

ランキンサイクル装置１００において、サイクルの高圧圧力及び低圧圧力を含む圧力条件が同じ場合を考える。この場合、レシプロ膨張機１ａの入口における作動流体の温度が高いほど、レシプロ膨張機１ａの入口における作動流体のエンタルピーとレシプロ膨張機１ａの出口における作動流体のエンタルピーとの差が大きい。このため、ランキンサイクル装置１００の発電効率を向上させる観点から、レシプロ膨張機１ａの入口における作動流体の温度が高いことが有利である。レシプロ膨張機１ａの入口における作動流体の温度が高い場合でも、レシプロ膨張機１ａによれば、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑を確実に行うことができ、高い信頼性を発揮できる。

［３－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ランキンサイクル装置１００は、実施の形態１に記載のレシプロ膨張機１ａを備えている。

これにより、レシプロ膨張機１ａに高温の作動流体を吸入させた場合でも、レシプロ膨張機１ａが高い信頼性を発揮でき、ランキンサイクル装置１００も高い信頼性を発揮しうる。

（他の実施の形態）
実施の形態１では、供給路７０は、オイル溜まり４０から、吸込管７４、オイルポンプ７３、縦穴７２ａ、横穴７２ｂ、環状溝２２ｅ、及び第一通路７１を経由して、作動室２６に至る経路として形成されている。しかし、供給路７０は、これに限らず、例えば、図１１に示すように構成されていてもよい。図１１に示すレシプロ膨張機１ｃは、特に説明する部分を除きレシプロ膨張機１ａと同様に構成されている。図１１に示すレシプロ膨張機１ｃにおいて、供給路７０は、オイル溜まり４０に貯留されたオイルをシャフト１０に形成した孔から飛散させるように構成されている。加えて、供給路７０は、ピストン２５の下死点の近くでシリンダ２４の外部に露出したピストン２５にオイルを付着させるように構成されている。このような構成によっても低温のオイルを供給できる。供給路７０は、低温のオイルを供給できる他の構成を有していてもよい。

実施の形態１では、オイルポンプ７３として、容積型のギヤポンプを示した。しかし、オイルポンプ７３は、これに限られず、ギヤポンプ以外の容積型のポンプ又はターボ型のポンプであってもよい。例えば、容積型のポンプは、ピストンポンプ、ベーンポンプ、又はロータリポンプであってもよい。ターボ型のポンプは、遠心ポンプ、斜流ポンプ、又は軸流ポンプであってもよい。オイルポンプ７３は、オイルの粘性を利用したポンプであってもよい。

実施の形態１では、上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂとして、滑り軸受を示した。しかし、上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂのそれぞれはこれには限定されない。上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂのそれぞれは、例えば、ブッシュ等の高耐久性の摺動部材を用いた軸受であってもよい。また、上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂのそれぞれは、転がり軸受であってもよい。この場合、滑り軸受に比べ摩擦損失の低減が可能である。

実施の形態１では、スラスト軸受２７として、転動体として鋼球を備えた玉軸受を示した。しかし、スラスト軸受２７はこれに限定されない。スラスト軸受２７は、転動体として円筒状のころを用いたころ軸受及び流体の動圧又は静圧を利用した滑り軸受等の他の形式の軸受であってもよい。

実施の形態１では、レシプロ膨張機１ａの一例として、６つの作動室２６を備えた例を示した。しかし、レシプロ膨張機はこの例に限定されない。レシプロ膨張機は、７つの作動室を備えていてもよいし、６個及び７個以外の複数個の作動室を備えていてもよい。

実施の形態１では、レシプロ膨張機１ａの一例として、ピストン２５の往復動に伴う動力が斜板２８によってシャフト１０に伝達される例を示した。しかし、レシプロ膨張機はこの例に限定されない。レシプロ膨張機は、ピストンの往復動を、ピストンの往復動の方向に平行な方向に延びているシャフトの回転運動に変換する他の機構を備えていてもよい。また、レシプロ膨張機は、ピストンの往復動に伴う動力がコンロッド及びクランクシャフトによってシャフトに伝達されるように構成されていてもよい。

実施の形態２では、環状溝２４ａと吐出室５４とを連通させる排出路２２ｆは、シリンダブロック２２に形成された溝である。しかし、排出路２２ｆは、これに限定されない。例えば、排出路２２ｆは、シリンダブロック２２ではなく、ピストン２５に形成されていてもよい。また、排出路２２ｆは、溝以外の孔及びその他の形状の通路として構成されていてもよい。この場合でも、ランキンサイクル装置の信頼性を向上させることができる。

実施の形態３では、実施の形態１に記載のレシプロ膨張機１ａを備えた例を示した。しかし、ランキンサイクル装置は、これに限定されない。例えば、ランキンサイクル装置は、実施の形態２に記載のレシプロ膨張機１ｂ等の信頼性の向上の観点から有利なレシプロ膨張機を備えていてもよい。この場合でも、ランキンサイクル装置の信頼性を向上させることができる。

実施の形態３では、蒸発器１０４の一例として、フィンチューブ熱交換器を示した。しかし、蒸発器１０４は、これに限定されない。例えば、蒸発器１０４は、プレート式熱交換器及び二重管式熱交換器等の公知の熱交換器であってもよい。

実施の形態３では、凝縮器１０２の一例として、フィンチューブ熱交換器を示した。しかし、凝縮器１０２はこれに限定されない。凝縮器１０２は、プレート式熱交換器及び二重管式熱交換器等の熱交換器であってもよい。この場合、凝縮器１０２は、別途設けられた熱媒体回路を流れる水等の熱媒体と作動流体とを熱交換させ作動流体を冷却するように構成されていてもよい。

実施の形態３では、ポンプ１０３の一例として、容積型のギヤポンプを示した。しかし、ポンプ１０３はこれに限定されない。ポンプ１０３は、ギヤポンプ以外の容積型のポンプ又はターボ型のポンプであってもよい。容積型のポンプは、ピストンポンプ、ベーンポンプ、又はロータリポンプであってもよい。ターボ型のポンプは、遠心ポンプ、斜流ポンプ、又は軸流ポンプであってもよい。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、往復動式のピストンを有するレシプロ膨張機及びランキンサイクル装置に適用可能である。具体的には、電力のみを生成するシステムだけでなく、ＣＨＰシステムなどのコジェネレーションシステムなどにも本開示は適用可能である。

１ａ、１ｂ、１ｃ レシプロ膨張機
１０ シャフト
２４ シリンダ
２５ ピストン
２６ 作動室
４０ オイル溜まり
７０ 供給路
７１ 第一通路
７１ａ 開口端
７２ 第二通路
１００ ランキンサイクル装置

Claims (7)

1. シャフトと、
   前記シャフトの周囲に配置されたシリンダと、
   前記シリンダの内部を往復動するピストンと、
   前記シリンダの内部における前記ピストンの往復動により変化する体積を有する作動室と、
   オイルが貯留されているオイル溜まりと、
   前記オイル溜まりから前記ピストンへ前記オイルを導く供給路と、
   前記シャフトの回転によって発電し、前記シャフトの軸線方向において前記オイル溜まりと前記シリンダとの間に配置された発電機と、を備えた、
   レシプロ膨張機。
2. 前記供給路は、前記シリンダの内面に開口している開口端を有する第一通路と、前記シャフトに形成された第二通路とを含む、請求項１に記載のレシプロ膨張機。
3. 前記第一通路は、前記ピストンが下死点及び前記下死点の近くに位置しているときに前記作動室に連通している、請求項２に記載のレシプロ膨張機。
4. 前記第一通路の前記開口端は、前記ピストンの往復動の方向に延びている前記ピストンの側面によって常に覆われている、請求項２に記載のレシプロ膨張機。
5. 前記ピストンの背面に接した空間と前記第一通路とを連通させる排出路をさらに備えた、請求項４に記載のレシプロ膨張機。
6. 前記オイル溜まりに貯留された前記オイルは、前記作動室に吸入される作動流体が有する温度よりも低い温度を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載のレシプロ膨張機。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のレシプロ膨張機を備えた、ランキンサイクル装置。

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