WO2012029516A1

WO2012029516A1 - ランキンサイクル装置

Info

Publication number: WO2012029516A1
Application number: PCT/JP2011/068237
Authority: WO
Inventors: 斉藤　淳志; 加藤　崇行; 隆弘杉岡
Original assignee: 株式会社豊田自動織機
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2012-03-08
Also published as: JP2012047152A

Abstract

潤滑油で潤滑される潤滑部を有する回路を備えるランキンサイクル装置が開示される。回路は、作動流体を圧送するポンプと、ポンプにより圧送された前記作動流体を加熱する熱交換器と、熱交換器で加熱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、膨張機で膨張した作動流体を凝縮させる凝縮器と、を順次接続することによって構成される。作動流体と潤滑油とは相互に分離する二層分離温度を有する。潤滑油として、運転中のポンプで二層分離温度を越えて作動流体から分離するものが用いられる。

Description

ランキンサイクル装置

　本発明は、ポンプと、熱交換器と、膨張機と、凝縮器と、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。

　従来より、ランキンサイクル装置では、作動流体として冷媒（例えば、ＨＦＣ１３４ａ）が用いられ、潤滑油として冷媒と相溶性の潤滑油（相溶性潤滑油：例えば、ＰＡＧ）が用いられている。そして、相溶性潤滑油は、冷媒に溶解した状態でランキンサイクル装置の回路内を循環し、膨張機及びポンプの潤滑部（摺動部等）の潤滑の役割を担っている。

　また、相溶性潤滑油は、所定の二層分離温度に達していないと冷媒に溶解した状態であるが、二層分離温度を越えると冷媒から分離する。このような二層分離温度に着目して、潤滑部を潤滑させるようにした技術として、例えば、特許文献１が挙げられる。

　特許文献１は、ランキンサイクル装置ではなく、冷凍サイクルに関するものであるが、冷凍サイクルを循環する冷媒には、二層分離温度を越える温度で相互に分離する潤滑油が充填されている。そして、特許文献１では、凝縮器の周囲の温度が、二層分離温度より低いときは、二層分離温度での冷媒の飽和圧力以下となるように、凝縮器での冷媒の圧力を制限し、凝縮器での冷媒と潤滑油との分離を防止している。さらには、凝縮器に溜まった潤滑油を、冷媒に溶解して冷媒とともに圧縮機に戻すようにしている。その結果、特許文献１の冷凍サイクルでは、圧縮機の潤滑部が、冷媒に溶解した潤滑油によって潤滑される。

特開２０１０－１０１５５３号公報

　ところで、ランキンサイクル装置に関しては、ポンプには凝縮器によって凝縮された液相状態の冷媒が流れることとなる。このため、特許文献１のように、二層分離温度の特性を利用して冷媒からの潤滑油の分離を防止すると、ポンプの潤滑部に付着している潤滑油が液相状態の冷媒によって流されてしまい、油膜切れが起きてしまうという問題があった。

　本発明の目的は、二層分離温度を越える温度で作動流体から分離した潤滑油をポンプに供給して、ポンプの潤滑部を潤滑す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、本発明の一態様では、潤滑油で潤滑される潤滑部を有する回路を備えるランキンサイクル装置が提供される。前記回路は、作動流体を圧送するポンプと、前記ポンプにより圧送された前記作動流体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器で加熱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、前記膨張機で膨張した前記作動流体を凝縮させる凝縮器と、を順次接続することによって構成される。前記作動流体と前記潤滑油とは相互に分離する二層分離温度を有する。前記潤滑油として、前記ポンプの運転中に前記二層分離温度を越えて前記作動流体から分離するものが用いられる。

　これによれば、二層分離温度の特性を利用して、ポンプの運転中に、ポンプで作動流体から潤滑油を分離することができる。このため、ポンプでは、作動流体に溶解した潤滑油ではなく、作動流体から分離された潤滑油によって潤滑部を潤滑することができる。したがって、作動流体に溶解した潤滑油でポンプの潤滑部を潤滑する場合と異なり、潤滑部を潤滑して油膜切れを防止することができる。

　また、前記潤滑油は、前記作動流体に占める割合である油分比率が３質量％以上２０質量％以下の範囲で、前記二層分離温度のボトム温度が０℃以上４０℃以下のものであってもよい。これによれば、潤滑油の特性を設定することにより、潤滑油によりポンプの潤滑部を好適に潤滑することができるとともに、潤滑油をランキンサイクル装置の回路内で好適に循環させることができる。

　また、前記潤滑油の１００℃における粘度は８ｍｍ^２／Ｓ以上１１ｍｍ^２／Ｓ以下であってもよい。この粘度は、ポンプの潤滑部を潤滑するのに適した粘度である。これは、潤滑油の粘度が８ｍｍ^２／Ｓより低いと、潤滑油の粘度が低すぎて油膜を形成できない虞があり、粘度が１１ｍｍ^２／Ｓを越えると、潤滑油による抵抗が大きすぎてポンプの効率が低下する虞があるからである。

本発明の一実施形態に係るランキンサイクル装置を模式的に示す図。温度と油分比率との関係を示すグラフ。

　以下、本発明を具体化した一実施形態を図１～図２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、及び熱交換器としての第１ボイラ５０と第２ボイラ６０とを流路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（２，３，３，３－テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｙｆ））が循環する。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、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。

　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から吐出された液相状態の冷媒（以下、液相冷媒と記載する）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吐出後の液相冷媒は熱を吸収して徐々に蒸発し、蒸発温度で液相状態の冷媒は全て蒸発して高温の気相状態の冷媒（以下、気相冷媒と記載する）に相変化する。

　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、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を通過した気相冷媒は、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通過後よりさらに高温に加熱される。

　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で加熱された気相冷媒は第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。そして、膨張機２０で膨張して低温になった気相冷媒は、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。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では気相冷媒が凝縮されて低温の液相冷媒に相変化し、その液相冷媒は第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。

　ランキンサイクル装置１０の回路では、冷媒と共に潤滑油が循環するとともに、潤滑油がポンプ４０及び膨張機２０の潤滑部を潤滑する。なお、ポンプ４０の潤滑部は、ポンプ４０の駆動軸（図示せず）と、その駆動軸に摺接するシール部（図示せず）との間であり、膨張機２０の潤滑部は、膨張機２０の駆動軸と、その駆動軸に摺接するシール部（図示せず）との間である。

　潤滑油は、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）が用いられる。このＰＡＧは、２，３，３，３－テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｙｆ）に溶解する相溶性を有する。また、ＰＡＧの１００℃における粘度は、８ｍｍ^２／Ｓ以上１１ｍｍ^２／Ｓ以下である。この粘度が８ｍｍ^２／Ｓより低いと、ＰＡＧの粘度が低すぎて潤滑部に油膜を形成することができず、好ましくない。一方、粘度が１１ｍｍ^２／Ｓを越えると、潤滑油の粘度による抵抗が大きすぎて、ポンプ４０の効率が低下する虞があり、好ましくない。

　さらに、ＨＦＯ１２３４ｙｆとＰＡＧは、二層分離温度より低い温度では相溶する一方で、二層分離温度を越えると相互に分離する。図２のグラフＧ１に、ＨＦＯ１２３４ｙｆ及びＰＡＧの二層分離温度と、ＨＦＯ１２３４ｙｆに占めるＰＡＧの割合（油分比率）との関係を示し、グラフＧ２に、ＨＦＣ１３４ａ及びＰＡＧの二層分離温度と、ＨＦＣ１３４ａに占めるＰＡＧの割合（油分比率）との関係を示す。

　図２のグラフＧ１に示すように、油分比率が約１０質量％付近の場合に、二層分離温度が最も低い温度、すなわち最下点であるボトム温度となる。油分比率がこのボトム温度に対応する値よりも小さくなるに従い、二層分離温度が急激に高くなる。また、油分比率が前記ボトム温度に対応する値よりも大きくなるに従い、二層分離温度が緩やかに高くなる。また、グラフＧ１に示すように、油分比率に応じて二層分離温度が異なる。

　なお、油分比率は、３質量％以上２０質量％以下に設定されるのが好ましい。油分比率が３質量％より少ないと、ポンプ４０の潤滑部を潤滑することが困難になり、２０質量％を越えると、ランキンサイクル装置１０の回路で潤滑油を循環させることが困難になるからである。より好ましくは、油分比率は、３質量％以上１０質量％以下であり、このように設定されると、ランキンサイクル装置１０の回路内で潤滑油を好適に循環させることができる。

　ランキンサイクル装置１０におけるポンプ４０の通常の運転中での温度範囲は、機種や環境によるが、２０℃～７０℃程度であり、冷媒及び潤滑油の種類は、ポンプ４０の運転中の温度と二層分離温度との関係により選択される。特に、冷媒及び潤滑油は、油分比率が３質量％以上２０質量％以下の範囲では、二層分離温度のボトム温度（図２のグラフＧ１の最下点に相当）が０℃以上４０℃以下であることが好ましい。二層分離温度のボトム温度が４０℃を越えると、ポンプ４０の運転中に潤滑油が液相冷媒に溶解し、油膜切れが発生して好ましくないからである。一方、二層分離温度のボトム温度が０℃より低いと、ランキンサイクル装置１０の回路内で潤滑油が分離した状態で循環し、潤滑油が回路内で滞留する虞があり好ましくないからである。

　本実施形態では、このような条件を満たす冷媒及び潤滑油として、ＨＦＯ１２３４ｙｆとＰＡＧとが使用されており、その二層分離温度は、ポンプ４０の運転中の最低温度より高くなっている。また、油分比率が３質量％以上２０質量％以下の範囲では、二層分離温度のボトム温度が０℃以上４０℃以下である。

　このため、凝縮器３０を通過した低温の液相冷媒がポンプ４０に吸入されると、ポンプ４０の温度が、二層分離温度より高くなるため、ポンプ４０では液相冷媒と、その液相冷媒に溶解した潤滑油とが分離する。そして、液相冷媒から分離された潤滑油そのものがポンプ４０の潤滑部に供給され、潤滑部を潤滑する。

　また、ポンプ４０では、二層分離温度の特性から、潤滑油の多くが液相冷媒から分離されるが、若干の潤滑油は液相冷媒と共にポンプ４０から第１ボイラ５０に向けて送り出される。その結果、ポンプ４０から圧送された液相冷媒の油分比率は、ポンプ４０に吸入される液送冷媒の油分比率に比べて低くなるとともに、ポンプ４０から圧送された液相冷媒の二層分離温度は、ポンプ４０吸入前に比べて高くなる。

　そして、ポンプ４０から圧送された液相冷媒は、第１ボイラ５０での熱交換により、高温の気相冷媒に相変化し、さらに、第１ボイラ５０を通過した気相冷媒は、第２ボイラ６０での熱交換により、第１ボイラ５０通過後よりさらに高温に加熱される。そして、上述したように、ポンプ４０圧送後の液相冷媒においては、油分比率の低下により二層分離温度がポンプ４０吸入前より高くなっているため、第１ボイラ５０及び第２ボイラ６０では、二層分離温度に達せず、潤滑油は気相冷媒に溶解したまま膨張機２０に向けて流れる。

　気相冷媒が膨張機２０に達すると、気相冷媒は膨張によって温度が低下する。そして、膨張機２０の温度が二層分離温度より低くなるため、膨張機２０内の潤滑油が気相冷媒に溶解し、既に溶解した潤滑油と合わせて油分比率が上昇する。このため、二層分離温度が、ポンプ４０圧送後に比べて低くなる。その後、気相冷媒が凝縮器３０に供給され、上述したようにポンプ４０で液相冷媒と潤滑油とに分離される。

　上記実施形態によれば、以下のような利点を得ることができる。

　（１）ランキンサイクル装置１０の回路を循環させる潤滑油として、ポンプ４０の運転中に二層分離温度を越える温度で冷媒と分離する潤滑油を用いた。そして、二層分離温度の特性を利用して、ポンプ４０では液相冷媒から潤滑油が分離されるようにした。このため、ポンプ４０では、液相冷媒に溶解した潤滑油ではなく、液相冷媒から分離された潤滑油によって潤滑部が潤滑される。そして、液相冷媒から分離された潤滑油は、ポンプ４０によって圧送される液相冷媒によってほとんど運び出されることがないためポンプ４０に留まる。したがって、ポンプ４０の潤滑部に潤滑油を供給することができ、潤滑部の油膜切れ等の発生を防止することができる。その結果として、ポンプ４０の駆動軸に設けられたシール部を潤滑油により、潤滑することができ、シール部の異常摩耗を防止し、異常摩耗による冷媒漏れを防止することができる。

　（２）潤滑油として、ポンプ４０の運転中に二層分離温度を越えて冷媒から分離するものを設定した。したがって、背景技術のように、二層分離温度の特性を利用しながらも冷媒の圧力調節等を要することなくポンプ４０の潤滑部を潤滑することができる。

　（３）二層分離温度の特性を利用してポンプ４０で潤滑油を液相冷媒から分離するようにしたため、分離した潤滑油をポンプ４０の潤滑に直接使用することができる。したがって、背景技術のように、潤滑したい部位に潤滑油を戻す構成を必要とせず、ポンプ４０の潤滑を部材追加することなく実現することができる。

　（４）冷媒としてＨＦＯ１２３４ｙｆを用いた。このＨＦＯ１２３４ｙｆとＰＡＧとが二層分離する温度は、ＨＦＣ１３４ａとＰＡＧとが二層分離する温度より低くなっている。このため、運転中の温度が低いポンプ４０であっても、液相冷媒から潤滑油を分離することができる。

　（５）ポンプ４０で潤滑油が冷媒から分離され、油分比率が低下すると、二層分離温度が高くなる。このため、第１ボイラ５０及び第２ボイラ６０では、二層分離温度に達しにくくなり、潤滑油が冷媒から分離されにくくなる。したがって、吸熱器５０ａ，６０ａに潤滑油が付着して熱交換率が低下することを抑制することができる。

　（６）潤滑油として、油分比率が３質量％以上２０質量％以下の範囲で、二層分離温度のボトム温度が０℃以上４０℃以下となるものを使用した。そのため、潤滑油（ＰＡＧ）によってポンプ４０の潤滑部を好適に潤滑することができるとともに、ランキンサイクル装置１０の回路内で好適に潤滑油（ＰＡＧ）を循環させることができる。

　（７）潤滑油として、１００℃における粘度が８ｍｍ^２／Ｓ以上１１ｍｍ^２／Ｓ以下のものを使用した。そのため、潤滑油の粘度が低すぎて油膜を形成できない虞や、潤滑油による抵抗が大きすぎてポンプの効率が低下する虞を無くすことができる。

　なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

　実施形態では、熱交換器として第１ボイラ５０と第２ボイラ６０とを併用したが、ボイラを１つだけとしてもよい。

　実施形態では、ポンプ４０と膨張機２０とを一体に備える複合流体機械Ｆを用いたが、ポンプ４０と膨張機２０とは別体であってもよい。

　ランキンサイクル装置１０の回路において、ポンプ４０より下流側の流路１１上にオイルセパレータを設け、そのオイルセパレータによりポンプ４０外に流出した潤滑油を液相冷媒から分離し、分離した潤滑油をポンプ４０に戻すようにしてもよい。

Claims

　潤滑油で潤滑される潤滑部を有する回路を備えるランキンサイクル装置であって、前記回路は、
　作動流体を圧送するポンプと、
　前記ポンプにより圧送された前記作動流体を加熱する熱交換器と、
　前記熱交換器で加熱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、
　前記膨張機で膨張した前記作動流体を凝縮させる凝縮器と、
　を順次接続することによって構成され、
　前記作動流体と前記潤滑油とは相互に分離する二層分離温度を有し、
　前記潤滑油として、前記ポンプの運転中に前記二層分離温度を越えて前記作動流体から分離するものが用いられる、ランキンサイクル装置。
　前記作動流体に占める前記潤滑油の割合である油分比率が３質量％以上２０質量％以下の範囲であり、前記二層分離温度のボトム温度が０℃以上４０℃以下である請求項１に記載のランキンサイクル装置。
　前記潤滑油は、１００℃において８ｍｍ^２／Ｓ以上１１ｍｍ^２／Ｓ以下の粘度を有する請求項１又は請求項２に記載のランキンサイクル装置。
　前記作動流体は、２，３，３，３－テトラフルオロプロペンであり、前記潤滑油は、ポリアルキレングリコールである請求項１～請求項３のうちいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
　前記二層分離温度は、前記ポンプの運転中の最低温度より高い請求項１～請求項４のうちいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
　前記回路における前記ポンプより下流にオイルセパレータが設けられている請求項１～請求項５のうちいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。