(57)【要約】【課題】簡易な構成によって、常に一定の潤滑油供給量を得ることのできるランキンサイクル装置を提供することである。【解決手段】ランキンサイクル装置が、ポンプ１と、蒸発器２と、膨張機３と、凝縮器４と、油分離器７と、油分離器７から膨張機３へ延びる潤滑油流路８と、潤滑油流路の途中に設けられた可変絞り弁９０、及び膨張機における作動流体の圧力を検知する作動流体圧力検知手段９１を有する可変絞り装置９と、可変絞り弁よりも下流の潤滑油流路に、可変絞り弁に対して直列に設けられた固定絞り部とを具備し、可変絞り装置が、検知した作動流体の圧力に基づいて、可変絞り弁の出口側の潤滑油圧力と作動流体の膨張機における吐出側の低圧力との間の差圧が一定になるように、出口側の潤滑油圧力を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を圧送するポンプ（１）と、
作動流体を加熱する蒸発器（２）と、
作動流体を膨張させて動力を取り出す膨張機（３）と、
作動流体を冷却する凝縮器（４）と、
前記ポンプ（１）、蒸発器（２）、膨張機（３）、及び凝縮器（４）を接続して作動流体の循環路を形成する作動流体管路（５）と、
前記蒸発器（２）から前記膨張機（３）へ至る作動流体管路（５）の途中に配設されて、作動流体から潤滑油を分離する油分離器（７）と、
前記油分離器（７）から前記膨張機（３）の要潤滑部へ延びる潤滑油流路（８）と、
前記潤滑油流路（８）の途中に設けられた可変絞り弁（９０）、及び膨張機（３）における作動流体の圧力を検知する作動流体圧力検知手段（９１，２９１）を有する可変絞り装置（９、２０９）と、
前記可変絞り弁（９０）よりも下流の前記潤滑油流路（８）に、前記可変絞り弁（９０）に対して直列に設けられた固定絞り部と、を具備するランキンサイクル装置であって、
前記可変絞り装置（９、２０９）が、検知した作動流体の圧力に基づいて、前記可変絞り弁（９０）の出口側の潤滑油圧力と作動流体の前記膨張機（３）における吐出側の低圧力との間の差圧が一定になるように、前記出口側の潤滑油圧力を制御することを特徴とする、ランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記作動流体圧力検知手段（９１）が感温筒（９１）から構成され、
前記可変絞り弁（９０）は、ダイヤフラム（９５）と、前記ダイヤフラム（９５）の一方の側に設けられた制御圧力室（９６）及び他方の側に設けられた潤滑油流通室（９４）とを有しており、
前記感温筒（９１）は、作動流体と同種の流体である制御流体が気液混合状態で封入されていて、前記膨張機（３）における作動流体の入口温度と出口温度との間の中間温度を検知するように配置されるとともに、前記可変絞り弁（９０）の前記制御圧力室（９６）に前記制御流体を介して流体連通されており、
前記可変絞り弁（９０）は、前記ダイヤフラム（９５）の一方の側面に作用する制御流体の圧力と他方の側面に作用する潤滑油の圧力との差圧に応じて、該可変絞り弁の開度を調節する、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記作動流体圧力検知手段（２９１）が直接的圧力検知手段（２９１）から構成され、
前記直接的圧力検知手段（２９１）は、シリンダ室（２９２）と、前記シリンダ室（２９２）内に摺動可能に配設されたピストン（２９３）と、を具備しており、
前記シリンダ室（２９２）が前記ピストン（２９３）により第１室（２９２ａ）と第２室（２９２ｂ）とに区画され、前記第１室（２９２ａ）は、前記膨張機（３）における作動流体の流入圧力と吐出圧力との間の中間の圧力が作用するように前記膨張機（３）の膨張室（３４）に流体連通され、前記第２室（２９２ｂ）は前記中間の圧力を前記可変絞り弁（９０）の前記制御圧力室（９６）に伝えるために非圧縮性の制御流体を介して前記制御圧力室（９６）に流体連通されており、
前記可変絞り弁（９０）は、前記ダイヤフラム（９５）の一方の側面に作用する制御流体の圧力と他方の側面に作用する潤滑油の圧力との差圧に応じて該可変絞り弁の開度を調節する、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記可変絞り弁（９０）は、前記制御圧力室（９６）に作用する圧力が所定の値以下の場合に、一定の最少の開度を維持する固定絞りとして働く、請求項１〜３のいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクル装置に関するものであって、より詳しくは、作動流体から分離された潤滑油が膨張機に供給されるランキンサイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクル装置の作動流体に混合された潤滑油を分離回収して、潤滑の必要な膨張機及びポンプに適量を供給するランキンサイクル装置が特許文献１で知られている。特許文献１の装置では、再生熱交換器の下流に配設されたオイル分離器によって分離されたオイルが第１潤滑油供給路を介して膨張機へ及び第２潤滑油供給路を介してポンプへそれぞれ供給される。
【０００３】
特許文献１の図１に示される実施例では、作動流体の圧力が高い場合、例えば膨張機の膨張室の圧力が高くなり、膨張機の要潤滑部へ流入する潤滑油が減少して潤滑不足を招く一方で、作動流体の圧力が低い場合、膨張機の膨張室の圧力が低くなり、要潤滑部へ流入する潤滑油が過剰になってランキンサイクルの効率低下を招く恐れがある。
【０００４】
一方、特許文献１の特に図２に示される実施例では、膨張機及びポンプへの供給潤滑油量の最適化を図るために、可変絞り機構が、第１及び第２潤滑油供給路に配設されて、膨張機及びポンプの検出された回転数に応じた適正な潤滑油供給量となるように制御装置によって制御される。これにより、膨張機等に対する適正量の潤滑油の供給が実現されると考えられる。ただし、制御装置とそのプログラムを含めて比較的複雑な構成が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１３８６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は前述した従来技術の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な構成によって、常に一定の潤滑油供給量を得ることのできるランキンサイクル装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、作動流体を圧送するポンプ（１）と、作動流体を加熱する蒸発器（２）と、作動流体を膨張させて動力を取り出す膨張機（３）と、作動流体を冷却する凝縮器（４）と、ポンプ（１）、蒸発器（２）、膨張機（３）、及び凝縮器（４）を接続して作動流体の循環路を形成する作動流体管路（５）と、蒸発器（２）から膨張機（３）へ至る作動流体管路（５）の途中に配設されて、作動流体から潤滑油を分離する油分離器（７）と、油分離器（７）から膨張機（３）の要潤滑部へ延びる潤滑油流路（８）と、潤滑油流路（８）の途中に設けられた可変絞り弁（９０）、及び膨張機（３）における作動流体の圧力を検知する作動流体圧力検知手段（９１，２９１）を有する可変絞り装置（９、２０９）と、可変絞り弁（９０）よりも下流の潤滑油流路（８）に、可変絞り弁（９０）に対して直列に設けられた固定絞り部と、を具備するランキンサイクル装置であって、可変絞り装置（９、２０９）が、検知した作動流体の圧力に基づいて、可変絞り弁（９０）の出口側の潤滑油圧力と作動流体の膨張機（３）における吐出側の低圧力との間の差圧が一定になるように、出口側の潤滑油圧力を制御するランキンサイクル装置を提供する。
【０００８】
これによれば、膨張機における作動流体の圧力の増減に応じて可変絞り弁の出口側の潤滑油圧力が増減されることにより、前記出口側の潤滑油圧力と作動流体の膨張機における吐出側の低圧力との間の差圧がほぼ一定に制御され、その結果、膨張機にはほぼ一定の潤滑油量が供給される。
【０００９】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態によるランキンサイクル装置の構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態によるランキンサイクル装置が備える可変絞り弁の模式的縦断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態によるランキンサイクル装置の構成を示す模式図である。
【図４】第２の実施形態によるランキンサイクル装置が備える直接的圧力検出手段の模式的拡大縦断面図である。
【図５】第１の実施形態によるランキンサイクル装置の変形例の構成を示す模式図である。
【図６】第１及び第２の実施形態によるランキンサイクル装置が備える可変絞り弁の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の第１の実施形態によるランキンサイクル装置を、図１及び図２を参照して以下に説明する。このランキンサイクル装置は、ランキンサイクルを作動させるために、作動流体を圧送するポンプ１と、ポンプ１により圧送された作動流体を高温熱源との間で熱交換をして加熱する蒸発器２と、ポンプ１により昇圧されて蒸発器２で加熱された作動流体を膨張させる間に動力を取り出す膨張機３と、膨張機３で減圧した作動流体を低温熱源との間で熱交換をして冷却する凝縮器４と、ポンプ１、蒸発器２、膨張機３、及び凝縮器４を接続して作動流体の循環路を形成する作動流体管路５と、膨張機３に一体に連結された回転電機６とを具備している。
【００１２】
また本実施形態のランキンサイクル装置は、蒸発器２と膨張機３との間に配設されて作動流体から潤滑油を分離する油分離器７と、油分離器７から膨張機３の要潤滑部へ連通する潤滑油流路８と、前記潤滑油流路８の途中に設けられた可変絞り装置９とをさらに具備している。
【００１３】
本実施形態では、高温熱源として、例えば車両用内燃機関の高温の冷却水或いは排気ガスを利用することができ、低温熱源として例えば凝縮器４の周囲の比較的低温の空気を利用することができ、また作動流体として例えばフロン系の冷媒を使用することができる。
【００１４】
膨張機３は、周知のスクロール型のものであって、固定スクロール３１として働く最上部の略円板状のトップハウジング３１と、その下部に結合された円板状のミドルハウジング３２と、トップハウジング３１及びミドルハウジング３２の間に配置された旋回スクロール３３と具備している。固定スクロール３１（トップハウジング）及び旋回スクロール３３は、対向して互いに噛み合うらせん状の歯部３１ａ、３３ａをそれぞれ有しており、これららせん状の歯部３１ａ、３３ａの間に膨張室３４が形成される。
【００１５】
膨張機３のシャフト３５は回転電機６のシャフト３５と共用されており、前記シャフト３５はその中心軸線から偏心したクランク部３５ａによって旋回スクロール３３を軸支している。したがって、旋回スクロール３３は、シャフト３５の中心軸線に対して所定の公転半径で公転可能であるが、このとき図示しない自転防止機構によって自転が防止される。
【００１６】
膨張機３のトップハウジング３１は、作動流体の流入ポート３６及び吐出ポート３７を備えており、流入ポート３６は中心部に設けられて中心側の膨張室３４に通じており、吐出ポート３７は外周部に設けられて外周側の膨張室３４に通じている。膨張機３はこのように構成されているので、流入ポート３６から中心側の膨張室３４に流入した高温高圧の作動流体は、膨張室３４が外縁側に向かって順次拡大するときに断熱膨張することにより旋回スクロール３３及び従ってシャフト３５を回転させて動力を生み出した後に、外周側の吐出ポート３７から温度及び圧力共に低下した状態で、凝縮器４へ向けて流出する。
【００１７】
膨張機３のミドルハウジング３２は、その外周部に設けられた潤滑油流入ポート３８と、この潤滑油流入ポート３８と膨張機３内の軸受部或いは摺動部等の要潤滑部を結ぶ潤滑油内部通路８３とを備えている。潤滑油内部通路８３は、流路断面積が縮小された固定絞り部（図示せず）を含んでいる。
【００１８】
回転電機６は、膨張機３のミドルハウジング３２の下側に結合されており、また膨張機３と共通のシャフト３５と、ステータ６１と、ステータ６１内で回転するロータ６２と、それらを収容する円筒状の回転電機主ハウジング６３と、その下側に結合された略円板状の軸受ハウジング６４と、その下側に固定された円板状のベースプレート６５とを具備している。ロータ６２は、永久磁石（図示せず）が埋設されたマグネットロータであって、シャフト３５に固定されている。回転電機主ハウジング６３は、上部玉軸受６６を介してシャフト３５の上部を回転可能に支持しており、軸受ハウジング６４は下部玉軸受６７を介してシャフト３５の下部を回転可能に支持している。
【００１９】
このように構成された回転電機６は、本ランキンサイクル装置の始動時において、バッテリ（図示せず）からインバータ（図示せず）を介してステータ６１に電力が供給されたとき、ロータ６２を回転させて膨張機３を始動する電動機として作動する一方で、膨張機３の旋回スクロール３３及びシャフト３５が作動流体によって回転されると電力を発生する発電機として作動する。
【００２０】
本実施形態の油分離器７は、円筒状に形成された本体部を有する遠心分離式のものであり、ここで分離された潤滑油は潤滑油流路８へ送られ、また潤滑油が分離された作動流体は作動流体管路５を介して膨張機３へ送られる。
【００２１】
潤滑油流路８は、油分離器７によって作動流体から分離された潤滑油を、可変絞り装置９を介して、膨張機３へ供給するために設けられており、油分離器７と可変絞り装置９との間の第１潤滑油流路８１と、可変絞り装置９と膨張機３の潤滑油流入ポート３８との間の第２潤滑油流路８２と、膨張機３内の潤滑油内部通路８３とから構成されている。
【００２２】
可変絞り装置９は、前述したとおり、油分離器７から膨張機３へ至る潤滑油流路８の途中に設けられており、可変絞り弁９０と、作動流体圧力検知手段としての感温筒９１と、それらを流体接続する接続管路９２とを具備している。
【００２３】
可変絞り弁９０は、潤滑油流通室９４を内部に形成する略円筒状の弁ハウジング９３と、弁ハウジング９３の頂部に結合されたダイヤフラム９５と、ダイヤフラム９５を弁ハウジング９３との間で挟持して固定するとともにダイヤフラム９５の上部に制御圧力室９６を形成するドーム形の蓋９７と、可変絞り部９８とを具備しており、前記可変絞り部９８は、円形の弁口１０１と、前記弁口１０１を取り囲む略円錐状の弁座１０２と、ステム１０３を介してダイヤフラム９５の図の下面に接続されて弁座１０２の下方に配置された球状の弁体１０４とから構成される。
【００２４】
また、可変絞り弁９０は、底面の潤滑油流入ポート９９及び外周面上部の潤滑油吐出ポート１０５に加えてさらに、弁口１０１が弁体１０４によって閉鎖されているときでも所定の最少量の潤滑油の流通を可能にするように形成されたバイパス通路１０６を弁ハウジング９３に備え、接続管路９２の一端が接続される制御流体ポート１０７を蓋９７に備えている。したがって、可変絞り弁９０の制御圧力室９６が接続管路９２によって感温筒９１に流体接続される。
【００２５】
感温筒９１は、熱伝導率の高い金属から円筒状に形成されている。感温筒９１及び接続管路９２及び可変絞り弁９０の制御圧力室９６の中に、作動流体と同じ種類の流体からなる制御流体が気液混合状態で封入されている。制御流体は感温筒９１に気液混合状態で、接続管路９２及び可変絞り弁９０の制御圧力室９６の中に気相状態で封入されていることが望ましい。
【００２６】
本実施形態では、感温筒９１は、膨張機３で膨張される作動流体の比較的高温の吸入側温度と比較的低温の吐出側温度の中間の温度を検出するために、膨張機３の固定スクロール３１の上面の中心と外縁部との中間に取付けられている。
【００２７】
可変絞り装置９はこのように構成されているので、可変絞り弁９０の制御圧力室９６には感温筒９１内の制御流体の前記中間の温度に対応する圧力が作用し、潤滑油流通室９４には潤滑油の圧力が作用する。可変絞り弁９０の開度は、弁口１０１の下側に位置する弁体１０４がダイヤフラム９５と連動して図の上下に移動するので、ダイヤフラム９５の下面に作用する潤滑油の圧力と、ダイヤフラム９５の上面に作用する制御流体の圧力との差圧により定まる。また、弁体１０４が弁口１０１の下側に位置しているので、制御流体の圧力の増大応じて、ダイヤフラム９５の下面に作用する潤滑油の圧力の増大が生じ、制御流体の圧力の低下応じて、潤滑油の圧力の低下が生じる。
【００２８】
ランキンサイクルが作動して、作動流体が作動流体管路５を流通すると、作動流体は蒸発器２の下流側に設けられた油分離器７により、混入していた潤滑油が作動流体から分離される。分離された潤滑油は、油分離器７内の比較的高い圧力と膨張機３内の要潤滑部の比較的低い圧力との間の圧力差に基づいて、第１潤滑油流路８１から、可変絞り弁９０、及び第２潤滑油流路８２を経由して膨張機３の潤滑油流入ポート３８から膨張機３内へ流入し、膨張機３内の潤滑油内部通路８３を介して軸受部或いは摺動部等の要潤滑部へ流入しそこを潤滑した後、作動流体に合流して、作動流体と共に吐出ポート３７から膨張機３の外へ流出する。
【００２９】
膨張機３内の潤滑油内部通路８３には固定絞り（図示せず）が設けられているので、潤滑油がそこを通るときに減圧されるため可変絞り弁９０の下流側の第２潤滑油流路８２内の圧力は中間圧、即ち油分離器７における高圧力と膨張機吐出口における低圧力との間の中間圧となっている。前記固定絞りの流路抵抗はほぼ一定であるので、前記中間圧と前記低圧力との間の差圧がほぼ一定になるように可変絞り弁９０によって制御すれば、膨張機３に流入する作動流体の圧力の変化に拘わらずほぼ一定の潤滑油量を要潤滑部に常に供給することが可能になる。
【００３０】
本実施形態の可変絞り弁９０は、ダイヤフラム９５の下面にステム１０３により接続された球形の弁体１０４が弁口１０１の下方に位置しているので、膨張機３へ流入する作動流体の温度が上昇し、その結果、前記中間の温度を検知する感温筒９１内及び従って可変絞り弁９０の制御圧力室９６内の制御流体の圧力が上昇すると、可変絞り弁９０の弁開度が増大してダイヤフラム９５の下面に作用する潤滑油の前記中間の圧力も上昇する。反対に、膨張機３へ流入する作動流体の温度が低下すると、逆の作用により、ダイヤフラム９５の下面に作用する潤滑油の前記中間の圧力も低下する。その結果、潤滑油の中間の圧力と膨張機３の吐出側の低圧力との間の差圧をほぼ一定に制御することが可能になる。
【００３１】
また、本実施形態の可変絞り弁９０は、膨張機３の作動流体の圧力が所定の圧力以下になった場合には、弁口１０１は弁体１０４により閉鎖されるが、バイパス通路１０６が設けられているので、そこを通して一定量の潤滑油が流通することが可能である。このように、可変絞り弁９０は、膨張機３の作動流体の圧力が所定の圧力以下になった場合には、前述の制御を行うことはなく、最小限の潤滑油を供給する固定絞りとして働く。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態によるランキンサイクル装置について、図３及び図４を参照して以下に説明する。第２の実施形態によるランキンサイクル装置は、その可変絞り装置２０９が、圧力検出手段として感温筒９１に代えて直接的圧力検出手段２９１を具備することにおいて第１の実施形態の場合と異なっているが、その他の構成は図３に示されるようにほとんど同様である。したがって、その異なっている部分を主に以下に説明する。
【００３３】
第２の実施形態における可変絞り装置２０９は、可変絞り弁９０と、直接的圧力検出手段２９１と、それらを流体接続する接続管路９２とを具備している。
【００３４】
直接的圧力検出手段２９１は、膨張機の固定スクロール３に形成されたシリンダ室２９２と、このシリンダ室２９２内に摺動可能に配設されたピストン２９３とを具備している。シリンダ室２９２はピストン２９３によって図の下側の第１室２９２ａと上側の第２室２９２ｂに区画されている。第１室２９２ａは、膨張機３の膨張室３４に流体連通されており、したがって第１室２９２ａには膨張室３４の作動流体の圧力が作用する。本実施形態では、第１室２９２ａに作用する圧力が、作動流体の流入圧力と吐出圧力との間の中間の圧力であるように、第１室２９２ａは、膨張室３４の半径方向のほぼ中間の部位と流体連通している。
【００３５】
一方、直接的圧力検出手段２９１の第２室２９２ｂは接続管路９２を介して可変絞り弁９０の制御圧力室９６に流体連通されている。第２室２９２ｂ及び接続管路９２及び制御圧力室９６内には制御流体として非圧縮性流体である油圧油が封入されている。
【００３６】
可変絞り装置２０９はこのように構成されているので、直接的圧力検出手段２９１のピストン２９３の第１室２９２ａ側の端面に作用する膨張室３４内の作動流体の流入圧力と吐出圧力との間の中間の圧力が、油圧油を介して可変絞り弁９０の制御圧力室９６内に伝達される。その結果、第２の実施形態でも、作動流体の圧力を伝える制御流体の圧力の増大応じて、可変絞り弁９０のダイヤフラム９５の下面に作用する潤滑油の圧力の増大が生じ、制御流体の圧力の低下応じて、潤滑油の圧力の低下が生じる。
【００３７】
その他の実施形態
第１の実施形態においては、感温筒９１は膨張機３の固定スクロール３１の上面に取付けられたが、感温筒９１は、作動流体の吸入側温度と吐出側温度の中間温度を検出可能な構成であればどこに取付けられてもよく、例えば図５に示されるように、膨張機３へ至る作動流体管路５に取り付けられてもよい。ただしこの場合、作動流体管路５の表面と感温筒９１との間に温度補償用の熱抵抗部材９１ａが挿入される。この熱抵抗部材９１ａは、感温筒９１が膨張機３の流入口より上流の作動流体管路５に取付けられているにもかかわらず前記中間温度を示すようにその厚さ及び材質が決定されている。また、このような熱抵抗部材９１ａを用いないで、感温筒９１自体の厚さを厚くするか或いは低熱伝導率の材料を選択する等によって作動流体管路５の表面と感温筒９１内の流体までの熱抵抗を調整してもよい。
【００３８】
第１及び第２の実施形態において、可変絞り弁９０は、弁口１０１が弁体１０４により閉鎖された場合でも所定の最少量の潤滑油の流通を可能にするためにバイパス通路１０６を有していたが、このようなバイパス通路１０６に代えて、可変絞り弁９０が、図６に示されるような、ストッパ１０８を有することも可能である。このストッパ１０８は、弁体１０４が弁座１０２に接触するのを阻止するように、弁座１０２から弁口１０１の中心側に向かって突出している。
【００３９】
第１及び第２の実施形態において、可変絞り弁９０はダイヤフラム９５を利用したものであったが、可変絞り弁が、ダイヤフラムに代えて、シリンダ室内に摺動可能に配設されたピストンを利用するタイプのものであってもよい。この場合ピストンの一方の端面に制御圧力室の圧力が作用し、他方の端面に潤滑油流通室の圧力が作用する。
【符号の説明】
【００４０】
１    ポンプ
２    蒸発器
３    膨張機
４    凝縮器
５    作動流体管路
７    油分離器
８    潤滑油流路
９    可変絞り装置
９０    可変絞り弁
９１    作動流体圧力検知手段
【図１】
2014001667.tif 000003
【図２】
2014001667.tif 000004
【図３】
2014001667.tif 000005
【図４】
2014001667.tif 000006
【図５】
2014001667.tif 000007
【図６】
2014001667.tif 000008