WO2014007148A1 - ランキンサイクル装置 - Google Patents

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oil
flow path
working fluid
condenser
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英文 森
井口　雅夫
榎島　史修
文彦 石黒
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株式会社 豊田自動織機
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    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
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    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours

Definitions

  • the present invention relates to a Rankine cycle device, and more particularly, to a Rankine cycle device including an oil separator that separates oil from a working fluid.
  • a Rankine cycle device is known as a device that effectively uses waste heat.
  • the Rankine cycle device includes a steam generator that generates a working fluid steam, an expander that expands the working fluid steam, a condenser that condenses the working fluid from the expander, and a working fluid that flows out of the condenser.
  • the working fluid flowing through the working fluid flow path contains oil that lubricates the sliding parts of the expander and the pump.
  • the oil in the working fluid flowing into the condenser reduces the heat exchange efficiency in the condenser.
  • an oil separator is provided between the expander and the condenser in the working fluid flow path, and the oil contained in the working fluid is separated from the working fluid by the oil separator so that the oil does not flow into the condenser as much as possible.
  • the waste heat utilization apparatus disclosed in Patent Document 1 includes an oil separator between an expander and a condenser in the circulation path of the working fluid. And the path
  • lubricating oil has a high enthalpy (heat content) compared to a working fluid after condensation. Therefore, in the waste heat utilization apparatus disclosed in Patent Document 1, when lubricating oil with high enthalpy merges with the working fluid between the pump and the condenser, the enthalpy of the working fluid flowing into the pump becomes high. When the enthalpy of the working fluid increases, bubbles are likely to be generated from the working fluid due to pressure loss during suction by the pump, and cavitation may occur in the pump. When cavitation occurs in the pump, there is a high possibility that the predetermined discharge amount of the working fluid by the pump cannot be maintained.
  • An object of the present disclosure is to provide a Rankine cycle device that can prevent cavitation in a pump even when oil having high enthalpy is combined with a working fluid in a portion located upstream of the pump.
  • a Rankine cycle device for solving the above-described problems includes a steam generator that generates steam of a working fluid, an expander that expands the steam of the working fluid, and oil contained in the working fluid from the working fluid.
  • An oil separator a heat radiating device that radiates and condenses the working fluid, a pump that pumps the working fluid flowing out from the heat radiating device to the steam generator, the steam generator, the expander, and the oil separator
  • a working fluid flow path for sequentially connecting the heat radiating device and the pump; and an oil passage for supplying oil from the oil separator to a flow passage in the heat radiating device constituting a part of the working fluid flow path.
  • the “flow path in the heat dissipation device” refers to a flow path extending through one or more devices constituting the heat dissipation device, and between the devices when the heat dissipation device is configured by a plurality of devices. Including an extending channel.
  • the Rankine cycle device 10 is a vehicle-mounted Rankine cycle device mounted on a vehicle.
  • the Rankine cycle device 10 includes a steam generator 11, an expander 12, an oil separator 13, a heat dissipation device 14, and a pump 15.
  • the Rankine cycle apparatus 10 includes a refrigerant flow path 16 that sequentially connects the steam generator 11, the expander 12, the oil separator 13, the heat radiating device 14, and the pump 15.
  • the refrigerant channel 16 corresponds to a working fluid channel, and the refrigerant circulates in the refrigerant channel 16 in the order of the steam generator 11, the expander 12, the oil separator 13, the heat dissipation device 14, and the pump 15 by the operation of the pump 15. Flowing.
  • oil is contained in the refrigerant, and the oil contained in the refrigerant flows through a part of the refrigerant flow path 16 together with the refrigerant.
  • the oil contained in the refrigerant fulfills functions such as lubrication, sealing, and cooling in the sliding portions of the expander 12 and the pump 15.
  • the steam generator 11 generates the vapor of the refrigerant using the exhaust gas discharged from the engine 17 through the exhaust passage 18 as a heat source (not shown).
  • the refrigerant flow path passing through the interior of the steam generator 11 constitutes a part of the refrigerant flow path 16.
  • the refrigerant is heated by heat exchange between the refrigerant in the refrigerant flow path 16 and the exhaust gas passing through the exhaust passage 18, and refrigerant vapor is generated.
  • the exhaust gas that has passed through the steam generator 11 is discharged into the atmosphere through the exhaust passage 18.
  • the refrigerant flow path 16 of the present embodiment includes a first flow path 19 that connects between the refrigerant outlet of the steam generator 11 and the refrigerant inlet of the expander 12.
  • the expander 12 has a rotating body (not shown) driven by high-temperature and high-pressure steam.
  • the expander 12 further has an output shaft connected to the rotating body, and the output shaft obtains a rotational force by the rotation of the rotating body.
  • the refrigerant flow path passing through the inside of the expander 12 constitutes a part of the refrigerant flow path 16.
  • the expander 12 of the present embodiment is a scroll type expander, and the rotating body is a movable scroll that can turn with respect to the fixed scroll.
  • the expander 12 converts the pressure energy of the refrigerant vapor into mechanical energy by decompressing and expanding the refrigerant vapor in a substantially adiabatic state.
  • the output shaft of the expander 12 is connected to a load 20 (for example, a generator), and the rotational force obtained in the expander 12 is output to the load 20.
  • the refrigerant channel 16 of the present embodiment includes a second channel 21 that connects the refrigerant outlet of the expander 12 and the refrigerant inlet of the oil separator 13.
  • the oil separator 13 separates mist-like oil from the refrigerant vapor flowing out of the expander 12.
  • the space inside the oil separator 13 functions as a storage space for storing oil and a flow path through which the refrigerant passes, and constitutes a part of the refrigerant flow path 16.
  • the refrigerant flow path 16 of the present embodiment includes a third flow path 22 that connects the refrigerant outlet of the oil separator 13 and the refrigerant inlet of the heat dissipation device 14.
  • the heat dissipating device 14 of the present embodiment includes a condenser 23 located on the most upstream side in the heat dissipating device 14, a receiver tank 24 installed on the downstream side of the condenser 23, and an auxiliary located on the most downstream side in the heat dissipating device 14.
  • a cooler 25, a fourth flow path 27 that connects the condenser 23 and the receiver tank 24, and a fifth flow path 28 that connects the receiver tank 24 and the auxiliary cooler 25 are provided inside each of the condenser 23, the receiver tank 24, and the auxiliary cooler 25, a refrigerant flow path (not shown) through which the refrigerant passes is provided.
  • the refrigerant flow path in the condenser 23, the refrigerant flow path in the receiver tank 24, the refrigerant flow path in the auxiliary cooler 25, the fourth flow path 27, and the fifth flow path 28 are within the heat dissipation device 14.
  • the refrigerant flow path (working fluid flow path) is configured.
  • the refrigerant flow path in the heat dissipation device 14 constitutes a part of the refrigerant flow path 16.
  • the condenser 23 cools and condenses the vapor refrigerant flowing out of the expander 12.
  • the refrigerant flow path in the condenser 23 constitutes a part of the refrigerant flow path 16, in other words, a part of the refrigerant flow path in the heat dissipation device 14.
  • a blower fan 26 is provided in the vicinity of the condenser 23, and the blower fan 26 blows air toward the condenser 23 so as to promote heat dissipation of the refrigerant passing through the condenser 23.
  • the refrigerant channel 16 of the present embodiment includes a fourth channel 27 that connects the refrigerant outlet of the condenser 23 and the refrigerant inlet of the receiver tank 24.
  • the refrigerant condensed after passing through the condenser 23 flows out from the refrigerant outlet of the condenser 23 to the receiver tank 24 through the fourth flow path 27.
  • the receiver tank 24 stores the refrigerant that has passed through the condenser 23.
  • the refrigerant flow path in the receiver tank 24 constitutes a part of the refrigerant flow path 16, in other words, a part of the refrigerant flow path in the heat dissipation device 14.
  • gas-liquid separation of the condensed refrigerant after passing through the condenser 23 is performed, and only the liquid refrigerant flows out of the receiver tank 24.
  • the refrigerant channel 16 of the present embodiment includes a fifth channel 28 that connects the refrigerant outlet of the receiver tank 24 and the refrigerant inlet of the auxiliary cooler 25.
  • the auxiliary cooler 25 further cools the liquid refrigerant that has flowed out of the receiver tank 24.
  • the refrigerant flow path (liquid refrigerant flow path) in the auxiliary cooler 25 constitutes a part of the refrigerant flow path 16, in other words, a part of the refrigerant flow path in the heat dissipation device 14.
  • the liquid refrigerant is further cooled by exchanging heat with the atmosphere in the auxiliary cooler 25.
  • the refrigerant flow path 16 of the present embodiment includes a sixth flow path 29 that connects the refrigerant outlet of the auxiliary cooler 25 and the refrigerant inlet of the pump 15.
  • the pump 15 sucks and discharges the refrigerant flowing out from the auxiliary cooler 25 and pumps it to the steam generator 11.
  • the pump 15 is an electric gear pump.
  • the flow path through which the refrigerant passes inside the pump 15 corresponds to a part of the refrigerant flow path 16.
  • the refrigerant channel 16 of the present embodiment includes a seventh channel 30 that connects the refrigerant outlet of the pump 15 and the refrigerant inlet of the steam generator 11.
  • the refrigerant circulates through the refrigerant flow path 16 in the order of the steam generator 11, the expander 12, the oil separator 13, the condenser 23, the receiver tank 24, the auxiliary cooler 25, and the pump 15. Can do.
  • the Rankine cycle device 10 of the present embodiment includes an oil separator 13 between the expander 12 and the heat dissipation device 14 in the refrigerant flow path 16.
  • the Rankine cycle device 10 further includes an oil passage 31 that connects the oil separator 13 and the fourth flow path 27.
  • the oil passage 31 supplies the oil separated from the refrigerant in the oil separator 13 to the fourth flow path 27 in the heat dissipation device 14.
  • the oil passage 31 supplies oil to the refrigerant passage (working fluid passage) in the heat dissipation device 14.
  • exhaust gas passes from the engine 17 through the exhaust passage 18 and through the steam generator 11.
  • the refrigerant flows in the order of the steam generator 11, the expander 12, the oil separator 13, the condenser 23, the receiver tank 24, the auxiliary cooler 25, and the pump 15, and circulates through the refrigerant flow path 16.
  • the refrigerant becomes high-temperature and high-pressure steam by heat exchange with the exhaust gas.
  • the refrigerant vapor flows out to the expander 12 through the first flow path 19.
  • the steam that has flowed into the expander 12 is decompressed and expanded in the expander 12 in a substantially adiabatic state. Thereby, the pressure energy of the steam is converted into mechanical energy, and the rotational force of the expander 12 is output to the load 20.
  • mist-like oil contained in the refrigerant vapor is separated, and liquid oil is stored in the oil separator 13.
  • the condenser 23 receives the air blown by the blower fan 26, and the refrigerant vapor flowing out of the oil separator 13 is condensed by heat exchange with air. At this time, since the refrigerant passing through the condenser 23 contains almost no oil, the heat exchange efficiency is not reduced by the oil.
  • the oil passing through the oil passage 31 merges with the condensed refrigerant in the fourth flow path 27.
  • the oil passing through the oil passage 31 is oil having a high enthalpy (heat content) compared to the condensed refrigerant that has passed through the condenser 23, and heat is given to the condensed refrigerant by merging. Becomes higher.
  • the condensed refrigerant combined with oil flows out to the receiver tank 24 through the fourth flow path 27.
  • the condensed refrigerant combined with the oil is separated into a liquid refrigerant and a gaseous refrigerant, and the liquid refrigerant is temporarily stored in the receiver tank 24.
  • the liquid refrigerant in the receiver tank 24 flows out to the auxiliary cooler 25 through the fifth flow path 28.
  • the gaseous refrigerant is separated from the liquid refrigerant in the receiver tank 24, and only the liquid refrigerant is sent to the auxiliary cooler 25.
  • the liquid refrigerant flowing out of the receiver tank 24 flows into the auxiliary cooler 25 through the fifth flow path 28, and the liquid refrigerant flowing into the auxiliary cooler 25 is cooled (supercooled) by heat exchange with the atmosphere.
  • the refrigerant that has flowed out of the auxiliary cooler 25 is sucked into the pump 15 and discharged, and is pumped to the steam generator 11.
  • the liquid refrigerant is sufficiently subcooled by the auxiliary cooler 25, even if a pressure loss occurs when the liquid refrigerant is sucked, no bubbles are generated in the liquid refrigerant and cavitation does not occur.
  • the gaseous refrigerant is separated from the liquid refrigerant in the receiver tank 24, and only the liquid refrigerant is the auxiliary cooler 25 or the pump. 15, refrigerant cavitation in the pump 15 can be prevented.
  • the Rankine cycle device of the present embodiment has the following operational effects.
  • the oil passage 31 is a passage connecting the oil separator 13 and the fourth flow passage 27, the oil passage 31 is connected to the refrigerant flow passage in the condenser 23 or the refrigerant flow passage in the receiver tank 24. Compared with, connection is easy.
  • the auxiliary cooler 25 further cools the liquid refrigerant flowing out from the receiver tank 24, the refrigerant containing oil that has flowed out from the auxiliary cooler 25 is reliably supercooled.
  • the liquid refrigerant conducted to the pump 15 does not generate bubbles in the liquid refrigerant even if a pressure loss occurs during suction. That is, cavitation in the pump 15 can be prevented, and a predetermined amount of liquid refrigerant can be stably pumped from the pump 15.
  • the oil passage 31 connects the oil separator 13 and the fourth flow path 27, but the oil passage 31 is connected to the oil separator 13 and the fifth flow path 28 as in Modification 1 shown in FIG. 2. And may be connected.
  • the oil from the oil separator 13 is merged with the refrigerant between the receiver tank 24 and the auxiliary cooler 25 in the refrigerant flow path 16. Therefore, even if the refrigerant is vaporized in the fifth flow path 28 due to the merging of oil, the refrigerant is cooled by the auxiliary cooler 25, so that cavitation in the pump 15 can be prevented.
  • the oil passage 31 connects the oil separator 13 and the fourth flow path 27, but the oil passage 31 is connected to the oil separator 13 and the condenser 23 as in Modification 2 shown in FIG. 3.
  • An internal refrigerant flow path may be connected, and the refrigerant and oil may be merged in the refrigerant flow path within the condenser 23.
  • cavitation in the pump 15 can be prevented as in the first embodiment.
  • the oil passage 31 may connect the oil separator 13 and the refrigerant flow path in the receiver tank 24, and the oil from the oil separator 13 is supplied to the receiver tank. The refrigerant and oil may be merged by supplying the refrigerant flow path in 24.
  • the oil passage 31 connects the oil separator 13 and the refrigerant flow path in the auxiliary cooler 25, and the refrigerant flow path in the auxiliary cooler 25. In this case, the refrigerant and oil may be combined.
  • cavitation in the pump 15 can be prevented as in the first embodiment.
  • the Rankine cycle device of the present embodiment is a vehicle-mounted Rankine cycle device that is mounted on a vehicle as in the first embodiment. This embodiment is different from the first embodiment in that an auxiliary cooler is not provided. The description of the same configuration as that of the first embodiment is omitted, and the same reference numerals are used.
  • the Rankine cycle device 40 of this embodiment includes a steam generator 11, an expander 12, an oil separator 13, a heat dissipation device 42, and a pump 15.
  • the Rankine cycle apparatus 40 includes a refrigerant flow path 41 that sequentially connects the steam generator 11, the expander 12, the oil separator 13, the heat dissipation device 42, and the pump 15.
  • the refrigerant channel 41 corresponds to a working fluid channel, and the refrigerant flows through the refrigerant channel 41 in the order of the steam generator 11, the expander 12, the oil separator 13, the heat dissipation device 42, and the pump 15.
  • oil is contained in the refrigerant, and the oil contained in the refrigerant flows through a part of the refrigerant flow path 41 together with the refrigerant.
  • the heat dissipating device 42 of the present embodiment is connected to the condenser 23 located on the upstream side of the heat dissipating device 42, the receiver tank 24 installed on the downstream side of the condenser 23, and the condenser 23 and the receiver tank 24. 4 flow paths.
  • the refrigerant channel in the condenser 23, the refrigerant channel in the receiver tank 24, and the fourth channel 27 constitute a refrigerant channel (working fluid channel) in the heat dissipation device 42.
  • the refrigerant channel 41 includes a fifth channel 43 that connects the refrigerant outlet of the receiver tank 24 and the refrigerant inlet of the pump 15.
  • the refrigerant flow path 41 includes a sixth flow path 44 that connects the refrigerant outlet of the pump 15 and the refrigerant inlet of the steam generator 11.
  • the refrigerant can circulate in the refrigerant flow path 41 in the order of the steam generator 11, the expander 12, the oil separator 13, the condenser 23, and the receiver tank 24.
  • the Rankine cycle device 40 of the present embodiment includes an oil passage 31 that connects the oil separator 13 and the fourth flow path 27.
  • the oil passage 31 supplies the oil separated from the refrigerant in the oil separator 13 to the fourth flow path 27 in the heat dissipation device 42.
  • the oil is supplied from the oil separator 13 to the fourth flow path 27 in the heat radiating device 42 via the oil passage 31 and merges with the refrigerant.
  • the refrigerant including the oil merged in the fourth flow path 27 in the heat radiating device 42 is separated into the gaseous refrigerant and the liquid refrigerant in the receiver tank 24, and only the liquid refrigerant is sent to the pump 15. For this reason, even if the vaporization of the refrigerant occurs by combining the oil with the refrigerant in the fourth flow path 27, only the liquid refrigerant separated from the gaseous refrigerant in the receiver tank 24 is sent to the pump 15. Cavitation in the pump 15 can be prevented.
  • This embodiment has the same effects as the operational effects (1) and (2) of the first embodiment.
  • the Rankine cycle apparatus since the Rankine cycle apparatus according to the present embodiment does not include an auxiliary cooler, the Rankine cycle apparatus can have a simple configuration as compared with the first embodiment.
  • the Rankine cycle device of each of the above embodiments is a vehicle-mounted Rankine cycle device mounted on a vehicle, but the Rankine cycle device is not limited to a vehicle.
  • the Rankine cycle apparatus installed on the ground may be used.
  • the engine may be a gasoline engine or a diesel engine.
  • the oil passage 31 connects the oil separator 13 and the fourth flow path 27.
  • the oil passage 31 is connected to the oil separator 13 and the refrigerant flow path in the condenser 23.
  • the refrigerant and oil may be merged in the refrigerant flow path in the condenser 23.
  • the oil passage 31 may connect the oil separator 13 and the refrigerant flow path in the receiver tank 24, and oil from the oil separator 13 is transferred to the refrigerant flow path in the receiver tank 24.
  • the refrigerant and oil may be joined by supplying them.
  • the generator is cited as an example of the load.
  • the load may be an engine, and is not particularly limited as long as the rotational force output from the expander can be used.
  • the expander is not limited to the scroll type, and can be of any type.
  • a vane type expander or a turbine type expander may be used.

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Abstract

　ランキンサイクル装置（１０）は、作動流体の蒸気を生成する蒸気発生器（１１）と、前記作動流体の蒸気を膨張させる膨張機（１２）と、前記作動流体から前記作動流体に含まれるオイルを分離するオイルセパレータ（１３）と、前記作動流体の放熱および凝縮を行う放熱機器（１４）と、前記放熱機器から流出する前記作動流体を前記蒸気発生器へ圧送するポンプ（１５）と、前記蒸気発生器、前記膨張機、前記オイルセパレータ、前記放熱機器及び前記ポンプを順次接続する作動流体流路（１６）と、前記オイルセパレータから前記作動流体流路の一部を構成する前記放熱機器内の流路へオイルを供給するオイル通路（３１）と、を備える。

Description

ランキンサイクル装置
　この発明は、ランキンサイクル装置に関し、特に、作動流体からオイルを分離するオイルセパレータを備えたランキンサイクル装置に関する。
　廃熱を有効利用する装置としてランキンサイクル装置が知られている。ランキンサイクル装置は、作動流体の蒸気を生成する蒸気発生器と、作動流体の蒸気を膨張させる膨張機と、膨張機からの作動流体を凝縮する凝縮器と、凝縮器から流出する作動流体を蒸気発生器へ圧送するポンプと、蒸気発生器、膨張機、凝縮器及びポンプを順次接続する作動流体流路と、を備える。
　通常、作動流体流路を流通する作動流体には、膨張機やポンプにおける摺動部を潤滑するオイルが含まれている。しかし、凝縮器に流入した作動流体中のオイルは、凝縮器における熱交換効率を低下させる。このため、作動流体流路において膨張機と凝縮器との間にオイルセパレータを設け、オイルセパレータにより作動流体から同作動流体に含まれるオイルを分離し、オイルを凝縮器へなるべく流入させないようにする技術が存在する。
　例えば、特許文献１に開示された廃熱利用装置は、作動流体の循環経路における膨張機と凝縮器との間にオイルセパレータを備えている。そして、オイルセパレータと、循環経路においてポンプと凝縮器との間に位置する部分とを繋ぐ潤滑油の経路が設けられている。このため、オイルセパレータで分離された潤滑油を、凝縮器へ通さずにポンプへ導入することができる。これにより、オイルセパレータから凝縮器へ導入される作動流体に含まれる潤滑油が少なくなり、凝縮器における熱交換効率の低下が防止される。
特開２００９－１９１７２５号公報
　一般的に、潤滑油は、凝縮後の作動流体と比較してエンタルピー（熱含量）が高い。そのため、特許文献１に開示された廃熱利用装置において、エンタルピーの高い潤滑油がポンプと凝縮器との間において作動流体と合流すると、ポンプに流入する作動流体のエンタルピーが高くなる。作動流体のエンタルピーが高くなると、ポンプによる吸入時の圧力損失により作動流体から気泡が生じ易くなり、ポンプにおいてキャビテーションを発生するおそれがある。ポンプにおいてキャビテーションが発生すると、ポンプによる作動流体の所定の吐出量の維持を図ることができなくなる可能性が高い。
　本開示の目的は、ポンプの上流に位置する部分にてエンタルピーの高いオイルを作動流体に合流させても、ポンプにおけるキャビテーションを防止することができるランキンサイクル装置の提供にある。
　上記の課題を解決するためのランキンサイクル装置は、作動流体の蒸気を生成する蒸気発生器と、前記作動流体の蒸気を膨張させる膨張機と、前記作動流体から前記作動流体に含まれるオイルを分離するオイルセパレータと、前記作動流体の放熱および凝縮を行う放熱機器と、前記放熱機器から流出する前記作動流体を前記蒸気発生器へ圧送するポンプと、前記蒸気発生器、前記膨張機、前記オイルセパレータ、前記放熱機器及び前記ポンプを順次接続する作動流体流路と、前記オイルセパレータから前記作動流体流路の一部を構成する前記放熱機器内の流路へオイルを供給するオイル通路と、を備える。
　なお、本開示において、「放熱機器内の流路」とは、放熱機器を構成する１つ又は複数の機器内を延びる流路、及び放熱機器が複数の機器から構成される場合の機器間を延びる流路を含む。
第１の実施形態に係るランキンサイクル装置の構成を示す概略図である。 第１の実施形態の変更例１に係るランキンサイクル装置の構成を示す概略図である。 第１の実施形態の変更例２に係るランキンサイクル装置の構成を示す概略図である。 第２の実施形態に係るランキンサイクル装置の構成を示す概略図である。
（第１の実施形態）
　以下、第１の実施形態に係るランキンサイクル装置について図面を参照して説明する。本実施形態のランキンサイクル装置は車両に搭載される車載用ランキンサイクル装置である。図１に示すように、ランキンサイクル装置１０は、蒸気発生器１１、膨張機１２、オイルセパレータ１３、放熱機器１４及びポンプ１５を有する。また、ランキンサイクル装置１０は、蒸気発生器１１、膨張機１２、オイルセパレータ１３、放熱機器１４及びポンプ１５を順次接続する冷媒流路１６を有する。冷媒流路１６は作動流体流路に相当し、冷媒は、ポンプ１５の作動により、蒸気発生器１１、膨張機１２、オイルセパレータ１３、放熱機器１４、ポンプ１５の順に冷媒流路１６を循環して流れる。
　本実施形態のランキンサイクル装置１０では、冷媒にオイルが含まれており、冷媒に含まれるオイルは冷媒と共に冷媒流路１６の一部を流通する。冷媒に含まれるオイルは、膨張機１２およびポンプ１５の摺動部における潤滑、密封、冷却等の機能を果たす。
　蒸気発生器１１は、エンジン１７から排気通路１８を通って排出される排気ガスを熱源（図示せず）として冷媒の蒸気を発生させる。蒸気発生器１１の内部を通る冷媒の流路は、冷媒流路１６の一部を構成する。蒸気発生器１１では、冷媒流路１６の冷媒と排気通路１８を通る排気ガスとの熱交換により冷媒は加熱され、冷媒の蒸気が生成される。蒸気発生器１１を通過した排気ガスは排気通路１８を通じて大気中へ排出される。本実施形態の冷媒流路１６は、蒸気発生器１１の冷媒出口と膨張機１２の冷媒入口との間を接続する第１流路１９を備えている。
　膨張機１２は高温且つ高圧の蒸気により駆動される回転体（図示せず）を有している。膨張機１２はさらに回転体に連結された出力軸を有し、この出力軸は、回転体の回転により回転力を得る。膨張機１２の内部を通る冷媒の流路は、冷媒流路１６の一部を構成する。
　本実施形態の膨張機１２はスクロール式膨張機であり、回転体は固定スクロールに対して旋回可能な可動スクロールである。膨張機１２は、冷媒の蒸気をほぼ断熱状態で減圧して膨張させることにより冷媒の蒸気が有する圧力エネルギーを機械的エネルギーに変換する。膨張機１２の出力軸は負荷２０（例えば、発電機）に連結されており、膨張機１２において得られる回転力は負荷２０に出力される。
　本実施形態の冷媒流路１６は、膨張機１２の冷媒出口とオイルセパレータ１３の冷媒入口とを接続する第２流路２１を備えている。
　オイルセパレータ１３は、膨張機１２から流出した冷媒の蒸気からミスト状のオイルを分離する。オイルセパレータ１３の内部の空間は、オイルを貯留する貯留空間および冷媒が通過する流路として機能し、冷媒流路１６の一部を構成する。　本実施形態の冷媒流路１６は、オイルセパレータ１３の冷媒出口と放熱機器１４の冷媒入口とを接続する第３流路２２を備えている。
　本実施形態の放熱機器１４は、放熱機器１４において最上流側に位置する凝縮器２３と、凝縮器２３の下流側に設置されたレシーバタンク２４と、放熱機器１４において最下流側に位置する補助冷却器２５と、凝縮器２３とレシーバタンク２４とを接続する第４流路２７と、レシーバタンク２４と補助冷却器２５とを接続する第５流路２８とを備えている。凝縮器２３、レシーバタンク２４及び補助冷却器２５の各々の内部には、冷媒が通過する冷媒流路（図示せず）が設けられている。凝縮器２３内の冷媒流路と、レシーバタンク２４内の冷媒流路と、補助冷却器２５内の冷媒流路と、第４流路２７と、第５流路２８とで、放熱機器１４内の冷媒流路（作動流体流路）が構成される。放熱機器１４内の冷媒流路は、冷媒流路１６の一部を構成する。
　凝縮器２３は、膨張機１２から流出した蒸気の冷媒を冷却して凝縮する。凝縮器２３内の冷媒流路は、冷媒流路１６の一部、言い換えれば、放熱機器１４内の冷媒流路の一部を構成する。凝縮器２３の近傍には、送風ファン２６が設けられており、送風ファン２６は凝縮器２３を通過する冷媒の放熱を促進するように凝縮器２３へ向けて送風する。
　本実施形態の冷媒流路１６は、凝縮器２３の冷媒出口とレシーバタンク２４の冷媒入口とを接続する第４流路２７を備えている。凝縮器２３を通過して凝縮された冷媒は、凝縮器２３の冷媒出口から第４流路２７を経てレシーバタンク２４に流出される。レシーバタンク２４は凝縮器２３を通過した冷媒を貯留する。レシーバタンク２４内の冷媒流路は、冷媒流路１６の一部、言い換えれば、放熱機器１４内の冷媒流路の一部を構成する。レシーバタンク２４では、凝縮器２３通過後の凝縮された冷媒の気液分離が行われ、液冷媒のみがレシーバタンク２４から流出する。
　本実施形態の冷媒流路１６は、レシーバタンク２４の冷媒出口と補助冷却器２５の冷媒入口とを接続する第５流路２８を備えている。
　補助冷却器２５は、レシーバタンク２４から流出した液冷媒をさらに冷却する。補助冷却器２５内の冷媒流路（液冷媒流路）は、冷媒流路１６の一部、言い換えれば、放熱機器１４内の冷媒流路の一部を構成する。本実施形態では、補助冷却器２５において液冷媒が大気と熱交換されることによりさらに冷却される。
　本実施形態の冷媒流路１６は、補助冷却器２５の冷媒出口とポンプ１５の冷媒入口とを接続する第６流路２９を備えている。ポンプ１５は、補助冷却器２５から流出する冷媒を吸入して吐出し、蒸気発生器１１へ圧送する。本実施形態では、ポンプ１５は電動式のギヤポンプである。ポンプ１５の内部において冷媒が通る流路は、冷媒流路１６の一部に相当する。
　本実施形態の冷媒流路１６は、ポンプ１５の冷媒出口と蒸気発生器１１の冷媒入口とを接続する第７流路３０を備えている。ポンプ１５が駆動されることにより、冷媒は、蒸気発生器１１、膨張機１２、オイルセパレータ１３、凝縮器２３、レシーバタンク２４、補助冷却器２５、ポンプ１５の順に冷媒流路１６を循環することができる。
　本実施形態のランキンサイクル装置１０は、冷媒流路１６において膨張機１２と放熱機器１４との間にオイルセパレータ１３を有する。ランキンサイクル装置１０は、オイルセパレータ１３と第４流路２７とを接続するオイル通路３１をさらに有する。オイル通路３１は、オイルセパレータ１３において冷媒から分離されたオイルを放熱機器１４における第４流路２７へ供給する。換言すると、オイル通路３１は放熱機器１４内の冷媒流路（作動流体流路）へオイルを供給する。
　次に、本実施形態のランキンサイクル装置１０の作動について説明する。
　エンジン１７の運転時においては、排気ガスがエンジン１７から排気通路１８を通り蒸気発生器１１を通過する。ポンプ１５が駆動されると、冷媒は、蒸気発生器１１、膨張機１２、オイルセパレータ１３、凝縮器２３、レシーバタンク２４、補助冷却器２５、ポンプ１５の順に流れて冷媒流路１６を循環する。蒸気発生器１１では、冷媒は排気ガスとの熱交換により高温且つ高圧の蒸気となる。冷媒の蒸気は、第１流路１９を通って膨張機１２へ流出する。膨張機１２に流入した蒸気は、膨張機１２内においてほぼ断熱状態で減圧されて膨張する。これにより、蒸気の圧力エネルギーは機械的エネルギーに変換されて膨張機１２の回転力は負荷２０へ出力される。
　膨張機１２から流出した低圧の冷媒の蒸気は、第２流路２１を通じてオイルセパレータ１３へ流入する。オイルセパレータ１３では、冷媒の蒸気に含まれるミスト状のオイルが分離され、液体のオイルがオイルセパレータ１３に貯留される。オイルが分離された冷媒の蒸気は、第３流路２２を通り凝縮器２３へ流出し、冷媒の蒸気から分離された液体のオイルはオイル通路３１を通り、第４流路２７へ供給される。
　凝縮器２３は送風ファン２６の送風を受けており、オイルセパレータ１３から流出した冷媒の蒸気は空気との熱交換により凝縮される。このとき、凝縮器２３を通過する冷媒にはオイルが殆ど含まれないため、オイルによる熱交換効率の低下は発生しない。オイル通路３１を通るオイルは、第４流路２７において凝縮後の冷媒と合流する。オイル通路３１を通るオイルは、凝縮器２３を通過した凝縮後の冷媒と比較すると、エンタルピー（熱含量）の高いオイルであり、合流により凝縮後の冷媒に熱を与えることになり、冷媒のエンタルピーが高くなる。オイルが合流された凝縮後の冷媒は、第４流路２７を通じてレシーバタンク２４に流出する。
　レシーバタンク２４では、オイルが合流された凝縮後の冷媒を液冷媒とガス状の冷媒とに分離し、液冷媒はレシーバタンク２４に一時的に貯留される。レシーバタンク２４の液冷媒は第５流路２８を通じて補助冷却器２５へ流出する。ガス状の冷媒はレシーバタンク２４で液冷媒と分離され、液冷媒のみが補助冷却器２５へ送られる。
　レシーバタンク２４から流出した液冷媒は第５流路２８を通じて補助冷却器２５に流入し、補助冷却器２５に流入した液冷媒は大気との熱交換により冷却（過冷却）される。
　補助冷却器２５から流出した冷媒はポンプ１５に吸入されて吐出され、蒸気発生器１１へ圧送される。ポンプ１５では、液冷媒が補助冷却器２５により十分に過冷却されているので、液冷媒の吸入時において圧力損失が生じても、液冷媒における気泡の発生はなく、キャビテーションが発生することはない。また、第４流路２７においてオイルを冷媒に合流させることにより冷媒の気化が生じたとしても、ガス状の冷媒はレシーバタンク２４で液冷媒と分離され、液冷媒のみが補助冷却器２５やポンプ１５へ送られるので、ポンプ１５における冷媒のキャビテーションを防止することができる。
　本実施形態のランキンサイクル装置は以下の作用効果を奏する。
　（１）レシーバタンク２４の上流に位置する第４流路２７においてオイルが凝縮後の冷媒と合流されることにより冷媒の気化が生じたとしても、ガス状の冷媒はレシーバタンク２４で液冷媒と分離され、液冷媒のみが補助冷却器２５及びポンプ１５へ送られる。このため、ポンプ１５におけるキャビテーションを防止することができ、所定の吐出量の液冷媒をポンプ１５から安定して圧送することができる。
　（２）オイル通路３１はオイルセパレータ１３と第４流路２７とを接続する通路であるから、凝縮器２３内の冷媒流路やレシーバタンク２４内の冷媒流路にオイル通路３１を接続する場合に比べて、接続が容易である。
　（３）補助冷却器２５はレシーバタンク２４から流出する液冷媒をさらに冷却するから、補助冷却器２５から流出された、オイルを含む冷媒は確実に過冷却されている。ポンプ１５に導通される液冷媒は、吸入時において圧力損失が生じても、液冷媒における気泡の発生はない。つまり、ポンプ１５におけるキャビテーションを防止することができ、所定の吐出量の液冷媒をポンプ１５から安定して圧送することができる。
（変更例１）
　本実施形態では、オイル通路３１がオイルセパレータ１３と第４流路２７とを接続しているが、図２に示す変更例１のように、オイル通路３１がオイルセパレータ１３と第５流路２８とを接続してもよい。この場合、オイルセパレータ１３からのオイルは、冷媒流路１６におけるレシーバタンク２４と補助冷却器２５との間にて冷媒に合流される。したがって、オイルの合流により第５流路２８において冷媒の気化が生じたとしても、冷媒は補助冷却器２５により冷却されるので、ポンプ１５におけるキャビテーションを防止することができる。
（変更例２）
　第１の実施形態では、オイル通路３１がオイルセパレータ１３と第４流路２７とを接続しているが、図３に示す変更例２のように、オイル通路３１がオイルセパレータ１３と凝縮器２３内の冷媒流路とを接続し、凝縮器２３内の冷媒流路において冷媒とオイルとを合流させてもよい。この場合、オイルの熱によって凝縮器２３における熱交換効率が低下することを抑制するため、凝縮器２３内の冷媒流路において冷媒出口に近い部分とオイル通路３１とを接続することが好ましい。
　変更例１、２は、第１の実施形態と同様に、ポンプ１５におけるキャビテーションを防止することができる。
（その他の変更例）
　その他の変更例として、図３の２点鎖線に示すように、オイル通路３１がオイルセパレータ１３とレシーバタンク２４内の冷媒流路とを接続してもよく、オイルセパレータ１３からのオイルをレシーバタンク２４内の冷媒流路へ供給して冷媒とオイルを合流させてもよい。さらに、その他の変更例として、図３の２点鎖線に示すように、オイル通路３１がオイルセパレータ１３と補助冷却器２５内の冷媒流路とを接続させ、補助冷却器２５内の冷媒流路において冷媒とオイルを合流させてもよい。その他の変更例の場合も第１の実施形態と同様に、ポンプ１５におけるキャビテーションを防止することができる。
（第２の実施形態）
　次に、第２の実施形態に係るランキンサイクル装置について説明する。
　本実施形態のランキンサイクル装置は、第１の実施形態と同様に車両に搭載される車載用ランキンサイクル装置である。本実施形態は補助冷却器を備えない点で、第１の実施形態と相違する。第１の実施形態と同一の構成については説明を省略し、符号を共通して用いる。
　図４に示すように、本実施形態のランキンサイクル装置４０は、蒸気発生器１１、膨張機１２、オイルセパレータ１３、放熱機器４２及びポンプ１５を有する。また、ランキンサイクル装置４０は、蒸気発生器１１、膨張機１２、オイルセパレータ１３、放熱機器４２及びポンプ１５を順次接続する冷媒流路４１を有する。
　冷媒流路４１は作動流体流路に相当し、冷媒は、蒸気発生器１１、膨張機１２、オイルセパレータ１３、放熱機器４２、ポンプ１５の順に冷媒流路４１を流れる。本実施形態のランキンサイクル装置４０では、冷媒にオイルが含まれており、冷媒に含まれるオイルは冷媒と共に冷媒流路４１の一部を流通する。
　本実施形態の放熱機器４２は、放熱機器４２において上流側に位置する凝縮器２３と、凝縮器２３の下流側に設置されたレシーバタンク２４と、凝縮器２３とレシーバタンク２４とを接続する第４流路とを備えている。凝縮器２３内の冷媒流路と、レシーバタンク２４内の冷媒流路と、第４流路２７とで、放熱機器４２内の冷媒流路（作動流体流路）が構成される。冷媒流路４１は、レシーバタンク２４の冷媒出口とポンプ１５の冷媒入口とを接続する第５流路４３を備えている。さらに、冷媒流路４１は、ポンプ１５の冷媒出口と蒸気発生器１１の冷媒入口とを接続する第６流路４４を備えている。ポンプ１５が駆動されることにより、冷媒は、冷媒流路４１において、蒸気発生器１１、膨張機１２、オイルセパレータ１３、凝縮器２３、レシーバタンク２４の順に循環して流れることができる。
　本実施形態のランキンサイクル装置４０は、オイルセパレータ１３と第４流路２７を接続するオイル通路３１を有する。オイル通路３１は、オイルセパレータ１３において冷媒から分離されたオイルを放熱機器４２における第４流路２７へ供給する。
　本実施形態においては、オイルは、オイル通路３１を介してオイルセパレータ１３から放熱機器４２における第４流路２７へ供給され、冷媒と合流する。放熱機器４２における第４流路２７において合流したオイルを含む冷媒は、レシーバタンク２４にてガス状の冷媒と液冷媒とに分離され、液冷媒のみがポンプ１５へ送られる。このため、第４流路２７においてオイルを冷媒に合流させることにより冷媒の気化が生じたとしても、レシーバタンク２４にてガス状の冷媒と分離された液冷媒のみがポンプ１５へ送られるので、ポンプ１５におけるキャビテーションを防止することができる。
　本実施形態は、第１の実施形態の作用効果（１）、（２）と同等の効果を奏する。
　また、本実施形態のランキンサイクル装置は、補助冷却器を設けないため、第１の実施形態と比較してランキンサイクル装置を簡単な構成とすることができる。
　なお、上記の各実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。
　上記の各実施形態のランキンサイクル装置は、車両に搭載される車載用ランキンサイクル装置であるが、ランキンサイクル装置は車載用に限定されない。例えば、地上に設置されるランキンサイクル装置であってもよい。
　エンジンは、ガソリンエンジンであってもよいし、ディーゼルエンジンであってもよい。
　上記の第２の実施形態では、オイル通路３１がオイルセパレータ１３と第４流路２７とを接続したが、変更例２のようにオイル通路３１がオイルセパレータ１３と凝縮器２３内の冷媒流路とを接続し、凝縮器２３内の冷媒流路において冷媒とオイルを合流させてもよい。この場合、凝縮器２３における熱交換効率のオイルの熱による影響を受け難くするため、凝縮器２３内の冷媒流路において冷媒出口に近い部分とオイル通路３１とを接続することが好ましい。また、その他の変更例のように、オイル通路３１がオイルセパレータ１３とレシーバタンク２４内の冷媒流路とを接続してもよく、オイルセパレータ１３からのオイルをレシーバタンク２４内の冷媒流路へ供給して冷媒とオイルを合流させてもよい。
　上記の各実施形態では、負荷の例として発電機を挙げたが、負荷はエンジンであってもよく、膨張機から出力される回転力を利用できる構成であれば、特に限定されない。
　膨張機はスクロール式に限定されず形式は自由であり、例えば、ベーン式の膨張機やタービン式の膨張機であってもよい。

Claims (7)

  1. 　作動流体の蒸気を生成する蒸気発生器と、
    　前記作動流体の蒸気を膨張させる膨張機と、
    　前記作動流体から前記作動流体に含まれるオイルを分離するオイルセパレータと、
    　前記作動流体の放熱および凝縮を行う放熱機器と、
    　前記放熱機器から流出する前記作動流体を前記蒸気発生器へ圧送するポンプと、
    　前記蒸気発生器、前記膨張機、前記オイルセパレータ、前記放熱機器及び前記ポンプを順次接続する作動流体流路と、
    　前記オイルセパレータから前記作動流体流路の一部を構成する前記放熱機器内の流路へオイルを供給するオイル通路と、を備えるランキンサイクル装置。
  2. 　前記放熱機器は、
    　前記オイルセパレータから流出される作動流体を凝縮する凝縮器と、
    　前記凝縮器から流出される作動流体を貯留するレシーバタンクと、を備え、
    　前記オイル通路は、前記放熱機器内の前記流路における前記レシーバタンク内又は同レシーバタンクの上流に位置する部分に接続されている請求項１記載のランキンサイクル装置。
  3. 　前記オイル通路は、前記放熱機器内の前記流路のうち、前記凝縮器と前記レシーバタンクとの間の部分に接続されている請求項２記載のランキンサイクル装置。
  4. 　前記オイル通路は、前記放熱機器内の前記流路のうち、前記凝縮器内の部分又は前記レシーバタンク内の部分に接続されている請求項２記載のランキンサイクル装置。
  5. 　前記放熱機器は、
    　前記オイルセパレータから流出される作動流体を凝縮する凝縮器と、
    　前記凝縮器から流出した作動流体を貯留するレシーバタンクと、
    　前記レシーバタンクから流出される作動流体を冷却する補助冷却器と、を備え、
    　前記オイル通路は、前記放熱機器内の前記流路における前記補助冷却器内又は同補助冷却器の上流に位置する部分に接続されている請求項１記載のランキンサイクル装置。
  6. 　前記オイル通路は、前記放熱器機内の前記流路のうち、前記凝縮器と前記レシーバタンクとの間の部分、又は前記レシーバタンクと前記補助冷却器との間の部分に接続されている請求項５記載のランキンサイクル装置。
  7. 　前記オイル通路は、前記放熱器機内の前記流路のうち、前記凝縮器内の部分、前記レシーバタンク内の部分、又は前記補助冷却器内の部分に接続されている請求項５記載のランキンサイクル装置。
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