(57)【要約】  置換機械（１）は、作動流体に作用し、潤滑油および作動流体分離部（１０）を備えている。流体分離部（１０）は、遮蔽部材（１０ａ、１０ｂ）によって構成された分離容積（１１）と、第１および第２の内容積（９０ａ、９０ｂ）と分離容積（１１）との間の流体連通を提供する第１の流体チャネル（１２）と、を含む。置換機械（１）は、第２の流体チャネル（１４）を含み、第２の流体チャネル（１４）は、分離容積（１１）と作動流体戻り容積（１５）との間に流体連通を提供する。流体分離部（１０）、第１の流体チャネル（１２）および第２の流体チャネル（１４）は、置換機械（１）の全容積（９）内に完全に収容されている。置換機械（１）内で潤滑油および作動流体を分離する方法も記載されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体に作用し、潤滑油と作動流体との分離部（１０）を備えるように構成された置換機械（１）であって、
置換ハウジング（４５）と、前記置換ハウジング（４５）内で移動可能な置換装置（４０）と、前記置換装置（４０）がその容積を変化させるように作用する作動チャンバ（５）と、潤滑油および作動流体を収容するように構成された少なくとも１つの内容積（９０ａ、９０ｂ）と、前記置換機械（１）の外部の少なくとも１つの容積と作動チャンバ（５）との間の流体連通をもたらす作動流体ポート（２１、２５）と、前記置換装置（４０）と前記置換ハウジング（４５）との間に形成された漏洩経路（４９）と、を含み、
流体分離部（１０）は、遮蔽部材（１０ａ、１０ｂ）によって塞がれる分離容積（１１）と、前記少なくとも１つの内容積（９０ａ、９０ｂ）と前記分離容積（１１）との間に流体連通を提供する第１の流体チャネル（１２）と、前記分離容積（１１）と作動流体戻り容積（１５）との間に流体連通を提供する第２の流体チャネル（１４）と、を含み、
前記流体分離部（１０）、前記第１の流体チャネル（１２）、および前記第２の流体チャネル（１４）は、外周（９９）によって画定される容積（９）内に完全に収容され、置換機械（１）は幾何学的に完全に収容されることを特徴とする、置換機械。
【請求項２】
第１の内容積（９０ａ）は、第２の内容積（９０ｂ）と自由に連通することを特徴とする、請求項１に記載の置換機械（１）。
【請求項３】
前記遮蔽部材は、前記流体分離部（１０）の作動流体出口（３１）を遮蔽するバッフル（１０ｂ）であることを特徴とする、請求項１に記載の置換機械（１）。
【請求項４】
前記遮蔽部材は、前記流体分離部（１０）内の作動流体出口（３１）を遮蔽するハウジング（１０ａ）であることを特徴とする、請求項１に記載の置換機械（１）。
【請求項５】
前記分離容積（１１）は、合体促進材（２８）を収容するハウジング（１０ａ）内に画定されることを特徴とする、請求項１に記載の置換機械（１）。
【請求項６】
前記流体分離部（１０）の作動流体出口（３１）にはバルブ装置（３０）が設けられ、バルブ装置（３０）は排気ポート（２５）からの逆流または背圧が分離容積（１０）内に伝播することを防止するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の置換機械（１）。
【請求項７】
前記流体分離部（１０）の前記バルブ装置（３０）は、リードバルブ装置であることを特徴とする、請求項６に記載の置換機械（１）。
【請求項８】
前記第１の流体チャネル（１２）は、前記分離容積（１１）に接続される流体混合物入口経路（１３）と、適切な潤滑油戻り容積（１８）に接続される潤滑油戻り経路（１９）と、を設けることを特徴とする、請求項１記載の置換機械（１）。
【請求項９】
前記第２の流体チャネル（１４）は、シリンダヘッド（２）の孔（２０ａ）を介して前記作動流体戻り容積（１５）内へ密閉状態で延在することを特徴とする、請求項１に記載の置換機械（１）。
【請求項１０】
前記第２の流体チャネル（１４）は、シリンダヘッドカバー（３）内に配置され、
前記流体チャネル（１４）は、カバー（１４ａ）と、密閉状態であるカバー（１４ａ）からシリンダヘッド（２）の孔（２０ａ）を介して前記作動流体戻り容積（１５）内へ密閉状態で延在する戻り管（２０）と、によって画定されることを特徴とする、請求項１に記載の置換機械（１）。
【請求項１１】
前記作動流体戻り容積（１５）は、エキスパンダの排気ポート（２５）またはコンプレッサの吸気ポート（２５ａ）の内部に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の置換機械（１）。
【請求項１２】
置換機械（１）は、外周（９９）内に画定された全容積（９）内に幾何学的に収容され、
置換ハウジング（４５）と、置換ハウジング（４５）内で移動可能な置換装置（４０）と、を備え、
前記置換装置（４０）が少なくとも１つの内容積（９０ａ、９０ｂ）を変化させるように作用する作動チャンバ（５）と、
潤滑油（６１）と前記潤滑油（６１）内に浸漬されたヒーター（６９）とを収容する潤滑油貯留部（６）と、
置換機械（１）の外部の少なくとも１つの容積と作動チャンバ（５）との間の流体連通を提供する複数の作動流体ポート（２１、２５）と、
前記置換装置（４０）と前記置換ハウジング（４５）との間に設けられる漏洩経路（４９）と、を含み、
遮蔽部材（１０ａ、１０ｂ）によって塞がれる分離容積（１１）を含む流体分離部（１０）と、
少なくとも１つの前記内容積（９０ａ、９０ｂ）と前記分離容積（１１）との間に流体連通を提供する第１の流体チャネル（１２）と、
前記分離容積（１１）と作動流体戻り容積（１５）との間の流体連通を提供する第２の流体チャネル（１４）と、を備えることによって、
前記潤滑油（６１）が所定量の作動流体によって希釈されることを特徴とする方法であって、以下の
ａ）前記置換機械（１）の運転を開始する前に、前記ヒーター（６９）から前記潤滑油（６１）に熱を伝達するステップ、
ｂ）前記潤滑油（６１）に溶解した作動流体を蒸発させ、それによって前記置換機械（１）の前記少なくとも１つの前記内容積（９０ａ、９０ｂ）を占める作動流体蒸気を生成するステップ、
ｃ）前記置換機械（１）から前記流体分離部（１０）の前記チャネル（１２、１４）を通って前記作動流体戻り容積（１５）まで作動流体蒸気を排出するステップ、
ｄ）前記潤滑油（６１）の温度を測定するステップ、
ｅ）前記潤滑油（６１）の温度が、前記潤滑油が作動流体から十分に解放されていることを確実にする所定のレベルに達したとき、前記置換機械（１）の運転を開始するステップ、を含むことを特徴とする、作動流体に作用する置換機械（１）において潤滑油と作動流体とを分離する方法。
【請求項１３】
ｆ１）前記第２の流体チャネル（１４）の上流で、前記潤滑油と前記作動流体とを分離するステップ、をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の作動流体に作用する置換機械（１）において潤滑油と作動流体とを分離する方法。
【請求項１４】
ｆ２）前記分離容積（１１）が前記第２の流体チャネル（１４）の上流の遮蔽部材（１０ａ、１０ｂ）によって塞がれるステップ、をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の作動流体に作用する置換機械（１）において潤滑油と作動流体とを分離する方法。
【請求項１５】
ｇ）前記置換機械（１）から、シリンダヘッドカバー（３）に設けられ、かつシリンダヘッド（２）に設けられた排気ポート（２５）より内部に設けられたキャビティ（３９）を画定するカバー（１４ａ）から密閉状態で延在する戻り管（２０）を介して、作動流体である蒸気を排出するステップ、をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の作動流体に作用する置換機械（１）において潤滑油と作動流体とを分離する方法。
【請求項１６】
前記置換機械（１）の前記全容積（９）内に完全に収容された前記流体分離部（１０）を提供するステップ、をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の作動流体に作用する置換機械（１）において潤滑油と作動流体とを分離する方法。
【請求項１７】
有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）アプリケーションまたは蒸気圧縮（ＶＣ）ヒートポンプアプリケーションにおける、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の置換機械（１）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、置換機械用の流体分離装置、および置換機械内の潤滑油と作動流体とを分離する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
作動流体に作用するように構成され、潤滑油と作動流体の分離部内容積を備えている、置換機械が開示されている。
また、置換ハウジングと、置換ハウジング内で移動可能な置換装置と、潤滑油と作動流体とを収容するように構成された少なくとも１つの内容積を変更するための作業を行うディスプレーサ装置である作動チャンバと、置換機械の外部の少なくとも１つの容積と作動チャンバとの間において流体の連通を提供する作動流体ポートと、置換装置と置換ハウジングとの間に形成された漏洩経路と、を有する、置換機械が開示されている。
【０００３】
作動流体に作用する置換機械内において、潤滑油および作動流体を分離する方法も開示されている。
【０００４】
有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムおよびヒートポンプは、いくつかの用途およびプロセスのエネルギー効率を高めるために、低温熱、特に廃熱を利用するための重要性が増している。さらに、そのような装置を利用することは、それらが化石燃料の必要性を減少させ、または場合によっては排除さえするので、炭素排出量の減少において大いに役立つ。ＯＲＣは、熱が非常に低い温度であり、他のほとんどの熱エンジンサイクルが実際に可能とする温度よりもはるかに低い温度であっても、通常、熱を電気に変換するために使用される。たとえば、ＯＲＣは、場合によっては１００℃以下の温度の熱を利用して発電することさえできる。一方、ヒートポンプは、既存の低級熱源の温度を、例えば食品製造または化学製造工程において、再び使用可能にする温度レベルまで上昇させるために使用される。
【０００５】
ＯＲＣは、所与の作動流体の液体から蒸気への相変化、およびその逆の相変化（沸騰および凝縮）を利用するという点で、原理的には蒸気エンジンプロセス、またはいわゆるランキンサイクル（常に作動流体として水を使用する方法）に似ている。主な違いは、ＯＲＣｓが水以外の作動流体を使用することであり、最も一般的な代替作動流体は、炭化水素またはハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣｓ）などのフッ素化有機流体といった有機性のものである。ＯＲＣｓは、比較的高い効率と、高いエクセルギー効率と、を同時に達成することができるという利点を有する。これは、ランキンサイクルの比較的高い固有効率、ならびに熱交換プロセス全体を通して、流入する熱伝達流体と作動流体との間の温度差が比較的小さい熱交換プロセスにおいて、良好な温度勾配整合を達成する可能性などのいくつかの要因によるものである。これにより、エクセルギーの破壊を最小限に抑えることができる。
【０００６】
多くのヒートポンプ技術で使用されている蒸気圧縮（ＶＣ）プロセスは、ＯＲＣと多くの特性を共有している。ＯＲＣプロセスおよびＶＣプロセスは、通常、同じ作動流体で動作できるため、原理的にＯＲＣプロセスはＶＣプロセスとしておおよそ見なすことができる。ＶＣプロセスは、流体の温度を上昇させるために蒸気圧縮を利用するが、ＯＲＣは、ボイラー内で最初に加熱され蒸発させられた流体から仕事量を抽出するために、略等エントロピーの蒸気膨張を利用して生じる温度および圧力の低下を利用する。ＯＲＣプロセスおよびＶＣプロセスを行うためには、それぞれコンプレッサまたはエキスパンダが用いられる。
【０００７】
エキスパンダは、コンプレッサがＶＣヒートポンプシステムの重要なコンポーネントであるのと同じように、どのようなＯＲＣにおいても重要なコンポーネントの１つである。ボイラー／蒸発器回路に基づく高圧部およびコンプレッサ回路に基づく低圧部を含むＯＲＣにおいて、作動流体はそれぞれ交互に沸騰し凝縮されて、高圧や低圧になる。エキスパンダは、高圧の区間から入口ポートを通って来る作動流体を受け入れて膨張させ、排気口から低圧の区間へ排気する。流体に関する吸気および排気の制御は、しばしば、吸気バルブおよび排気バルブと呼ばれる同期化された入口バルブおよび出口バルブを介して処理される。膨張プロセスでは、蒸発器内の作動流体に伝達された熱エネルギーの一部を機械的仕事量に変換し、変換された熱エネルギーは次に発電機によって電気に変換される。
【０００８】
ＯＲＣで使用できるエキスパンダの種類はいくつかある。伝統的にタービンやピストンのエキスパンダが最も多く使われているが、スクリューエキスパンダ、スクロールエキスパンダ、ベーンエキスパンダ、Ｗａｎｋｅｌエキスパンダなど、他の関連するエキスパンダタイプのいくつかの例があり、それらはすべて異なる長所と短所を有している。これは、ＶＣシステムのコンプレッサによって実行される逆のプロセスについても同様のことが当てはまり、利用可能な同等のコンプレッサの種類がいくつかある。
【０００９】
小規模のアプリケーションでは例えばエネルギー消費者による電力需要と同様に熱の利用可能性においてより大きな変動の傾向があることが多いため、多くのＯＲＣアプリケーション、特に電力レベルの点から見た小規模のアプリケーションでは、高出力レベルまたは負荷範囲にわたって高レベルの柔軟性と高い効率レベルを維持する必要がある。言い換えれば、小規模のＯＲＣｓでは、通常、例えばエネルギー消費者ネットワークにゆっくり変化するベース負荷を一般的に提供できるように、大規模の商用発電所よりも高いレベルの運用上の柔軟性を示すことができなければならない。このため、エキスパンダの種類は、その柔軟性に基づいて選択する必要がある。
【００１０】
ピストンエンジンは、例えば乗用車、または発電機セットの形態のようなより小さい発電所といった小規模のアプリケーションにおいて、非常に柔軟であることが長年にわたって証明されてきた。ピストンエキスパンダを使用するＯＲＣｓについても、柔軟性については同様に達成可能である。したがって、ピストンエキスパンダはそのような使用のための１つの好ましい技術といえる。ＶＣヒートポンプの場合は、ピストンコンプレッサの場合と同じ引数を用いることができる。以下において、ピストンサイクルやピストンエキスパンダまたはピストンコンプレッサは、同じ種類の一般的な装置を指すが、動作サイクルと作動流体プロセスは逆にしてもよい。
【００１１】
従来のピストン機械は、エキスパンダまたはコンプレッサとして機能するかどうかにかかわらず、典型的に最小限の摩擦や磨耗にするために重要な領域での潤滑を必要としており、これによって良好な性能および長い耐久性を達成する。しかし、それと同時に、ほとんどのピストン機械では、潤滑油を含むセクションと作動流体を含むセクションとの間で一定の漏洩が起こる。燃焼エンジンとして作動するピストン機械の場合、シリンダ（燃焼チャンバ）内に存在する空気または排気ガスが、ピストンシールを通過して（いわゆるブローバイによって）エンジンの他の内容積の中に漏れる可能性がある。通常、ピストンシールは完全ではないため、ある程度の漏洩が予想されるが、漏れが発生すると、エンジンの内部空間に含まれる潤滑油が時間の経過とともに汚染される。逆に、通常、少量のオイルは、ピストンを越えて反対方向に漏れ、オイルパンなどの内容積から燃焼チャンバ／シリンダへと入る。そして、最終的には燃焼チャンバ／シリンダのいくつかが燃焼プロセスによって影響を受け、一般的に、それは排気工程の間に排気される。漏洩や漏洩が潤滑油に及ぼす影響については、最小限に抑えるための対策が整っている。そのため、一般的に現代の燃焼エンジンでは問題にならない。対策としては、例えば、漏洩を最小にして、一定の運転時間後に潤滑油を交換する良好なシーリング溶液（例えば、よく設計されたピストンリングおよびシリンダ表面）を提供する方法が挙げられる。
【００１２】
以下の説明において、潤滑油およびオイルという用語は、互換的に使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
多くの燃焼エンジンにとって、ブリーザ出口は、例えばシリンダヘッドまたは他の適切な場所に設けられることが一般的である。ブリーザの目的とは、漏洩が原因となってエンジンハウジング内（内容積）に入る過剰な空気と燃焼ガスとを連続的に除去することである。ブリーザ出口は、多くの場合ブリーザラインに接続されており、このブリーザラインはガスをエンジンハウジングから引き離し、ガスを例えば入口マニホールドといった適切な戻り位置に排出する。
【００１４】
米国特許第４６０７６０４号は、燃焼エンジンにおける流体分離のための解決策を記載しており、オイルセパレータはエンジンハウジング内に埋め込まれた装置として実施されている。オイルセパレータがエンジンハウジング内に埋め込まれた装置として実施されていることは、燃焼エンジンとしては一般的であり、潤滑油以外の流体（例えば空気および燃焼ガス）の戻りは、エンジンハウジングに対して外部に向けられたブリーザライン（例えばホース）を介したブリーザ接続によって処理される。この処理は、ブリーザラインに漏洩があると、代わりにこれらのガスが周囲に排出される可能性があることを意味し、これは燃焼エンジンの場合には大きな問題とはならない。
【００１５】
しかし、そのためには、ＯＲＣ内のピストンエキスパンダ、またはＶＣヒートポンプ内のピストンコンプレッサについても、流体のブローバイと漏洩の問題を対処する必要がある。このようなアプリケーションでは、一般に凝縮性作動流体、すなわち気相と液相との間で変化する流体を含むので、漏洩という問題は燃焼エンジンの問題とはさらに異なる。そのため、多くの場合、作動流体が潤滑油と混合して、最終的により薄い潤滑油を形成する可能性がある。言い換えれば、より多くの作動流体が混入されるにつれて、潤滑油の粘度が減少し、ピストン機械の潤滑性が損なわれる。同時に、潤滑油は、ピストンを越えて漏れることによってピストン機械から流出し、それらは典型的に、エキスパンダまたはコンプレッサの排気経路の下流または吸気経路の上流に接続された、コンプレッサまたは蒸発器に入り得る。この場合、ピストン機械が利用可能とする潤滑油の量が減少し、したがって、ピストン機械の潤滑性は再び損なわれる。
【００１６】
これらの影響を避けるためには、適切な流体分離技術を実行する必要がある。これは、潤滑油に溶解または混合される作動流体の量を最小限に抑えるだけでなく、潤滑油がピストン機械から大幅に流出することを防ぐために役立つ。そのような用途のための適切なオイルセパレータや他の装置は、利用可能であるが、ピストン機械の外部に設置されるように設計される装置、または少なくともピストン機械の外部にある流体経路／接続方法を有する装置であることが非常に多い。このような装置は、パイプ、ホース、および継手の形状によって複雑さが増すだけでなく、たとえばコンポーネントに障害が発生した場合の潜在的な漏洩箇所の数も増やしてしまう。これは、米国特許第４６０７６０４号に開示されている発明の場合も同様であり、ブローバイガスは、図２５のように、出口ポートを介し、外部パイプまたは接続されたホースを介して例えば入口マニホールドに戻される。さらに、米国特許第７０９６８４７Ｂ１号は、同様の解決策を開示している。
【００１７】
本発明の目的は、置換機械用の流体分離装置、および置換機械内の潤滑油と作動流体とを分離する方法を提供することであり、従来技術の欠点の少なくとも１つを改善または軽減すること、あるいは少なくとも従来技術に対する有用な代替物を提供することである。
【００１８】
この目的は、以下の説明および添付の特許請求の範囲において規定される特徴によって達成される。
【００１９】
ブローバイや漏洩流体の外部ルートは、ブリーザラインに漏洩が生じると作動流体を周囲に溢すことに繋がる。そのため、ＯＲＣシステムまたはＶＣシステムには最適ではなく、そのようなシステムにおいて流体を維持する必要性と同様に、環境上の理由から受け入れられない。
【００２０】
本発明は、ピストンエキスパンダまたはピストンコンプレッサなどの置換装置を利用するシステムにおける流体分離のための一般的な技術の改良、または少なくとも代替物の提供を目指している。また、本発明はさらに、ＯＲＣまたはＶＣヒートポンプシステムに使用される置換機械における流体分離のための良好な手段を提供し得る。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、置換機械の内容積に一体化された流体分離部（例えば潤滑油／作動流体の分離）の使用を含む。以下の説明において、ピストン機械、ピストンエキスパンダまたはピストンコンプレッサという用語は、置換機械を説明するために互換的に使用され得る。これらの用語はいずれも、本発明を適用することができる装置の種類を限定するものではなく、本発明を具体的に説明するために単なる補助として使用される。本発明は、原則として、ピストン、スクリュー、スクロール、ベーン、Ｗａｎｋｅｌ機、またはその他の任意の関連する流体置換装置であって、利用可能な任意の置換装置に基づくエキスパンダおよびコンプレッサを含むあらゆる種類の置換装置に適用できる。
【００２２】
本発明のさらなる説明のために、置換機械の「内容積」は、特別な容積とし見なされるシリンダ容積である作動チャンバを除く、固体成分を含まない置換機械内の任意の容積として定義される。さらに、置換機械の全容積は画定され、全容積は、複数の内容積、燃焼チャンバ、およびすべての固体成分を含む、置換機械が占める全容積として定義される。
エキスパンダの全容積はさらに、排気機械のハウジング構成要素（例えば、クランクケース、シリンダヘッド、バルブカバー、オイルパンなど）の外面と、入口ポートおよび排気ポートによる複数の開口部などのその他の自然なインターフェースと、を含む外周によって定義される。
【００２３】
本発明は、作動流体戻りチャネルおよび潤滑油戻りチャネルのような複数の流体分離チャネルを含む流体分離部全体が、置換機械の全容積内に完全に一体化されていることによって達成される解決策を提供する。これにより、流体の外部接続が必要とされないので、流体が外環境に漏れる危険性を排除することができる。
【００２４】
流体分離部は、流体または流体混合物を伝達するための少なくとも２つのチャネルを有する。第１の流体チャネル（セパレータ入口チャネル）は、流体セパレータを、分離されるべき作動流体および潤滑油を含む置換装置の内容積に接続する。作動流体は主に内容積の気相部分に存在し、潤滑油は主に内容積の液相部分に存在する。第２のチャネル（作動流体戻りチャネル）は、流体分離部を作動流体戻り容積に接続する。そして、任意に、第３のチャネル（潤滑油戻りチャネル）は流体分離部を潤滑油戻り容積に接続する。
作動流体戻り容積とは、それぞれエキスパンダまたは圧縮機の排気ポートまたは吸気ポートのいずれかである。これにより、問題とされる置換機械からパイプまたはホースを外部接続する必要がなく、したがって、流体分離部の故障に起因する、流体が外環境に漏れる危険性を排除することができる。
【００２５】
前述のチャネルのいずれも、１つまたは複数の物理的通路からなる場合がある。単純な実施形態において、潤滑油戻りチャネルは分離器入口チャネルと同じ物理的通路を共有することができる。同様に、潤滑油戻り区間は、分離されるべき作動流体と潤滑油の両方を含む容積と同一になり得る。さらにより単純な実施形態では、流体分離部は、一端をエキスパンダまたはコンプレッサの排気ポートまたは吸気ポートに接続されたパイプから構成することができ、他端をそれが存在する内部エンジン容積の場所で終結することができる。この場所は、潤滑油がほとんど存在しない区間であり、主にその気相部分には作動流体が存在する。その場合、流体分離部への外部接続も完全に省略することができ、同時に、流体分離部の複雑さを最小限に抑えることができる。
【００２６】
リードバルブは、例えば、排気ポート内の圧力パルスが置換機械の内容積の内部の圧力よりも高くなければならない場合、置換流体への作動流体の逆流を防ぐために、作動流体戻りチャネルと直列に挿入されてもよい。
【００２７】
分離区間は、潤滑油の合体漏洩経路を容易にする成分で充填することができ、これは分離プロセスを助けることができる。
【００２８】
置換機械は、潤滑油を含むオイルパンと、その中に浸漬されたヒーターと、をさらに有してもよい。ヒーターは、オイルに混入した作動流体を蒸発させるために使用される。より高温な作動条件下では、作動流体の潤滑油に対する混入が制限され得るが、低温な作動時では、オイルに混入する作動流体の量が増加する。このとき、始動前に混入した作動流体を沸騰させて戻すことは、全体的な潤滑性を改善することに役立つ。このとき、流体分離部は、蒸発している余剰な作動流体を排出する重要な役割を果たす。
【００２９】
したがって、置換機械は、操作する前に作動流体を確実に蒸発させるための方法を有する。この方法は、排気機械を始動する前に、ヒーターによってオイルパン内の油を加熱することを含む。この方法はさらに、オイルパン内の油の温度を測定し、オイルの温度が一定のレベルに達したときに制御システムに準備完了の信号を送ることを含むことができる。
【００３０】
作動流体に利用可能な漏洩経路は、作動流体がエキスパンダの内部空間に漏れると同時に、オイルにも利用可能になる。そのため、エキスパンダの作動チャンバ／シリンダ内に流出する可能性がある。これが起こると、少なくともいくらかのオイルは、例えば排気ポートと流体ラインを介してコンプレッサ内へ流れることによって、置換機械から流出する可能性がある。この場合、ますます多くの潤滑油が流出するにつれて、潤滑油は最終的に損なわれ得る。
【００３１】
置換機械から流出し置換機械の外部区間、例えばコンプレッサ内に存在する少量のオイルの場合、オイルは、適切なシステム設計により、作動流体がそもそも存在する場所と同じ漏洩経路を介して循環し、置換機械へ戻ることが可能となる。これにより、オイルは、置換機械自体によって本質的に分離される。そのため、流出したオイルに対して、外部設置された専用の分離部が不要となる。ただし、外部システムは、オイルが特定の地域に閉じ込められることなく、最終的に戻される可能性があるように設計する必要がある。
【００３２】
したがって、少量の潤滑油は、エキスパンダの外部にあるシステムの様々な外部構成要素を通して、常時、作動流体と一緒に循環し得る。そして、最終的にはエキスパンダの内容積に戻される。ＯＲＣシステムでは、流体をエキスパンダから流出させることより、流体をエキスパンダに流入させることが有利になるように、エバポレータ側に圧力差がある（エバポレータ圧力は、通常、エキスパンダ内部の平均圧力より高い）ため、これにより、流体の流れに関して調整されたバランスが確保され、潤滑油の大部分は、常時、エキスパンダ内に留まる。言い換えれば、潤滑油をエキスパンダに流入させる力は、潤滑油を流出させる力よりも大きい。そのため、平衡は、エキスパンダ内に潤滑油を保持することが有利になるように調整される。これは、非常に単純であるが、必ずしも明白ではない解決策であり、これを生じさせるためには、利用可能であって、潤滑油が満足に戻る十分な寸法を有する漏洩経路もなければならない。
【００３３】
本発明は独立請求項によって規定される。従属請求項は、本発明の有利な実施形態を規定する。
【００３４】
第１の態様において、本発明は、特に、作動流体に作用し、潤滑油と作動流体の分離部を備えるように構成された置換機械に関する。
置換機械は、置換ハウジングと、置換ハウジング内で移動可能な置換装置と、置換装置がその容積を変化させるように作用する作動チャンバと潤滑油および作動流体を収容するように構成された少なくとも１つの内容積と、置換機械の外部の少なくとも１つの容積と作動チャンバとの間の流体連通をもたらす作動流体ポートと、置換装置と置換ハウジングとの間に形成された漏洩経路と、を含み、流体分離部は、遮蔽部材によって塞がれる分離容積と、少なくとも１つの内容積と分離容積との間に流体連通を提供する第１の流体チャネルと、分離容積と作動流体戻り容積との間に流体連通を提供する第２の流体チャネルと、を含む。流体分離部、第１の流体チャネル、および第２の流体チャネルは、外周によって画定される容積内に完全に収容され、置換機械は幾何学的に完全に収容されることを特徴とする。
【００３５】
第１の内容積は、第２の内容積と自由に連通していてもよい。
【００３６】
前記遮蔽部材は、流体分離部の作動流体出口を遮蔽するバッフルであってもよい。
【００３７】
あるいは、遮蔽部材は、流体分離器内の作動流体出口を遮蔽するハウジングであってもよい。ハウジングは、合体促進材を含んでもよい。
【００３８】
流体分離器内の作動流体出口には、排気ポートからの逆流または背圧が分離器容積内に伝播することを防止するように構成された弁装置を設けてもよい。流体分離バルブ装置は、リードバルブ装置としてもよい。
【００３９】
分離容積内への流体混合物入口経路、および適切な潤滑油戻り容積内への潤滑油戻り経路を第１の流体チャネルに設けてもよい。
【００４０】
第２の流体チャネルは、シリンダヘッドの孔を介して作動流体戻り容積内へ密閉状態で延在してもよい。
【００４１】
第２の流体チャネルは、シリンダヘッドカバー内に配置されてもよく、該流体チャネルは、カバーと、カバーからシリンダヘッドの孔を介して作動流体戻り容積内へ密閉状態で延在する戻り管とによって画定されてもよい。
【００４２】
作動流体の戻り容積は、エキスパンダの排気ポートまたはコンプレッサの吸気ポートの内部に設けられていてもよい。
【００４３】
第２の態様において、本発明は、特に、作動流体に作用する置換機械において潤滑油と作動流体とを分離する方法に関する。置換機械は、外周内に画定された全容積内に幾何学的に収容され、置換ハウジングと、置換ハウジング内で移動可能な置換装置と、を備え、置換装置が少なくとも１つの内容積を変化させるように作用する作動チャンバと、潤滑油と前記潤滑油内に浸漬されたヒーターとを収容する潤滑油貯留部と、置換機械の外部の少なくとも１つの容積と作動チャンバとの間の流体連通を提供する作動流体ポートと、置換装置と置換ハウジングとの間に設けられる漏洩経路と、を含む。また、この方法は、遮蔽部材によって塞がれる分離容積を含む流体分離部と、少なくとも１つの内容積と分離容積との間に流体連通を提供する第１の流体チャネルと、分離容積と作動流体戻り容積（１５）との間の流体連通を提供する第２の流体チャネルと、を備えることによって、潤滑油が所定量の作動流体によって希釈されることを特徴とする。また、この方法は、さらなるステップとして、ａ）置換機械の運転を開始する前に、ヒーターから潤滑油に熱を伝達するステップ、ｂ）潤滑油に溶解した作動流体を蒸発させ、それによって置換機械の少なくとも１つの内容積を占める作動流体蒸気を生成するステップ、ｃ）置換機械から流体分離部のチャネルを通って作動流体戻り容積まで作動流体蒸気を排出するステップ、ｄ）潤滑油の温度を測定するステップ、ｅ）潤滑油の温度が、潤滑油が作動流体から十分に解放されていることを確実にするレベルに達したとき、置換機械の運転を開始するステップ、を含むことを特徴とする。
【００４４】
この方法は、さらなる工程として、ｆ）第２の流体チャネルの上流で、潤滑油と作動流体とを分離するステップ、を含み得る。
【００４５】
この方法は、さらなる工程として、ｆ２）分離容積が第２の流体チャネルの上流の遮蔽部材によって塞がれるステップ、を含み得る。
【００４６】
この方法は、さらなる工程として、ｇ）置換機械から、シリンダヘッドカバーに設けられ、かつシリンダヘッドに設けられた排気ポートより内部に設けられたキャビティを画定するカバーから密閉状態で延在する戻り管を介して、作動流体である蒸気を排出するステップ、を含み得る。
【００４７】
この方法は、さらなる工程として、置換機械の全容積内に完全に収容された流体分離部を提供するステップ、をさらに含み得る。
【００４８】
第３の態様において、本発明は、特に、有機ランキンサイクルアプリケーションまたは蒸気圧縮ヒートポンプアプリケーションにおける、上述にて開示されたような置換機械の使用に関する。
【００４９】
以下、添付の図面に示された好ましい実施形態の例について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ピストンエキスパンダの形態である置換機械であって、置換機械ハウジング内と、特に、シリンダヘッド内に一体化された流体分離部を有する置換機械を示す図である。
【図２】図１と同じ置換機械であって、合体促進材が流体分離器に挿入されていることを示す図である。
【図３】図１と同じ置換機械であって、単純化された分離部が設置されていることを示す図である。
【図４】有機ランキンサイクルの簡略化されたフロー図であって、その最も重要な構成要素を示す図である。
【図５】ピストンエキスパンダの形態であるエキスパンダを有する、有機ランキンサイクルの簡略化されたフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下の説明では、最初に図１および図５を参照する。流体分離器１０は、ピストンタイプのエキスパンダの形態として示されている置換機械１内に一体化されている。エキスパンダ１は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システム１００の一部である（図５を参照）。エキスパンダ１は、図１において、ある程度、詳細に示されている。本発明は、作動流体および潤滑油を使用する任意のタイプの置換機械を使用する任意のタイプのシステムに適用される。そのため、本発明は、ＯＲＣシステム用のピストンタイプのエキスパンダに特定されないことに留意されたい。
【００５２】
蒸発器１０３は、高温高圧の過熱蒸気の形態の作動流体を第１の流体ライン１０９ａを介してエキスパンダ１に供給する（図５を参照）。エキスパンダ１は、蒸気を高圧から低圧に膨張させることによって仕事量を発生させ、膨張した蒸気を第２の流体ライン１０９ｂを介してコンプレッサ１０４に排出する。
【００５３】
レキュペレータは、ＯＲＣシステムとして設けられ得るが、これは、本発明の説明にとって特に重要ではないため、図示省略する。
【００５４】
コンプレッサ１０４の下流には、第３の流体ライン１０９ｃを介してコンプレッサ１０４に接続された作動流体貯留部１０１がある。この作動流体貯留部１０１は、例えば、主に液相中であってすなわち凝縮された後の作動流体のためのバッファとして機能する密閉タンクの形態である。ポンプ１０２は、作動流体貯留部１０１から第４の流体ライン１０９ｄを介して作動流体を吸い込み、吸い込んだ作業流体が第５の流体ライン１０９ｅを介して蒸発器１０３に供給されるときに作動流体の圧力を高める。そして、作動流体は蒸発器内で加熱され、蒸発され、そして過熱される。これにより、完全な有機ランキンサイクルが完了する。流体ライン１０９ａ〜１０９ｅは、典型的にパイプまたはホースの形態である。ＯＲＣシステム１００は、エキスパンダ１の外部に設けられる、さらなる装置（例えば、電気機器およびハウジング）を包含するが、関連性の理由からここでは言及しない。
【００５５】
再び図１を参照すると、ピストンエキスパンダ１は、クランクケース４、シリンダヘッド２、バルブカバー３、およびオイルパン６の形態の潤滑油貯留部、のような従来の主要構成要素から構成されると想定される。主要構成要素２  、３、４、６はすべて、例えば、入口ポート２１および出口／排気ポート２５の開口部のような、外環境および／または界面と接触する外面である、外環境に対する外周９９を有する。これらの境界は、エキスパンダ１の全外周を画定し、したがってエキスパンダの全容積９を画定する。
【００５６】
エキスパンダ１は、ピストン４１とピストンリング４２とからなるピストン装置４０、コネクティングロッド４３、クランクシャフト４４およびシリンダ４５のような追加の構成要素、装置および区間を有する。シリンダヘッド２は、少なくとも１つの入口バルブ２２および少なくとも１つの排気バルブ２６、ならびに流体分離部１０を含む。バルブ２２は、ポペットバルブ、回転バルブ、スライドバルブ、またはディスクバルブなどのアプリケーションに適した任意の種類のバルブで構成してもよく、図面では特定の種類を示していない。排気バルブ２６はポペットバルブとして図示されているが、排気バルブもまた任意の適切な種類のバルブによって構成し得る。
【００５７】
ピストン４１の直上には作業チャンバ５が形成されている。潤滑油貯留部（オイルパン）６は、潤滑油６１と、潤滑油に混入した作動流体を蒸発させるための潤滑油ヒーター６９と、を収容している。
【００５８】
第１および第２の内容積９０ａ、９０ｂは、それぞれシリンダヘッド２およびクランクケース４内の内部空間として定義される。図１〜図３に示すように、シリンダヘッド２内の左側に示されている第１の内部容積９０ａの一部は、右側に示されている第１の内容積９０ａの一部と連通していることに留意されたい。さらに、通路９０ｃは、第１の内容積９０ａと第２の内容積９０ｂとの間の流体のための自由流路９０ｄとして連通する。したがって、エキスパンダ１の内容積９０ａ、９０ｂは、これらの空間を占有する流体に関して、１つの合わさった内容積として見ることができる。なぜなら、流体は一方の内容積と他方の内容積の間を自由に流れるからである。
通路９０ｃは、通常、クランクシャフト４４をバルブ作動システム（図示省略）に接続するバルブ駆動系統（図示省略）を設けるために必要なスペースとして存在する。
【００５９】
同時に、図１〜図３に示すように、通路９０ｃの両側にあるように示されている排気ポート２５において、通路９０ｃの左側と右側との間に閉塞がないことに留意されたい。通路９０ｃは、排気ポート２５自体に直接干渉しないからである。図１〜図３において、通路９０ｃは、ポート２５の手前側に設けられていると知覚されるものとする。
【００６０】
以下の説明では、図１および図５が最も関連性がある。過熱蒸気は、入口ポート２１を通ってエキスパンダ１に入り、ここで入口バルブ２２は、作動チャンバ５への作動流体の流入を制御する。同時に、入口ポート２１および入口バルブ２２は、第１として、作動流体が作動チャンバ５に流入するために選択的に開く作動流体経路２３を提供する。
【００６１】
作動流体が内容積９０ａ、９０ｂの圧力よりも高い圧力で作動チャンバ５内に入ると、いくつかの作動流体は、ほとんどの場合、ピストン装置４０とシリンダ４５との間に形成された小さなギャップを通して漏れる。ピストン装置４０とシリンダ４５との間には小さなシールギャップがあるためである。シールギャップは、作動流体の漏洩経路４９を提供し、作動流体は作動チャンバ５から流出して、ピストン４１を通過する。この漏洩は、一部の業界において、ブローバイとよく呼ばれることがある。ブローバイの影響を受ける作動流体は、最終的にエキスパンダの第２の内容積９０ｂへ流入する。
【００６２】
多くの種類のバルブは完全に密閉されていない。そのため、入口バルブ２２には小さな漏洩経路２９も存在する可能性がある。これにより、典型的には、エキスパンダ１の第１の内容積９０ａ内にもいくらかの作動流体が漏れ入る可能性がある。同様に、例えば、排気バルブ２６およびその対応するバルブ作動装置（図示省略）に漏洩経路（図示省略）が存在してもよい。漏洩経路については、当業者であれば、これらの装置がどのように実施されるかを知り得るため、したがって図示省略とする。
【００６３】
エキスパンダ１の内容積９０ａ、９０ｂ内に存在する作動流体は、ある時点において、潤滑油６１に混入し始める可能性がある。混入が大幅に生じた場合、潤滑油／作動流体混合物の粘度が低下する可能性がある（すなわち、希釈潤滑油）。この場合、粘度が低くなりすぎると、エキスパンダの潤滑性の質を損なうことに繋がる。
【００６４】
潤滑性を必要とするエキスパンダ１内の全ての領域において、適切な潤滑性を確実とするために、オイルポンプ（図示省略）および潤滑油分離分配チャネル（図示省略）などの装置が存在する。このとき、オイルポンプ（図示省略）は、オイルパン６から潤滑油６１を吸引して各領域に分配する。潤滑油６１のいくらかはオイルパン６内に存在する一方で、内容積９０ａ、９０ｂと連通しエキスパンダのほとんどの内面を覆う他の領域にも潤滑油６１のいくらかがある可能性がある。潤滑油６１に混入する作動流体の割合は、より低い温度があるところではどこでも、典型的には、エキスパンダ１の（重力に関して）より低い部分では、最も高い可能性がある。これは、特にオイルパン６が当てはまる。したがって、潤滑油６１と混合された作動流体を蒸発させるためのヒーター６９をオイルパン６に追加して設けることができる。これにより、潤滑油６１のより高い粘度を維持することができる。
【００６５】
上述した潜在的な漏洩により、ますます多くの作動流体が内容積９０ａ、９０ｂ内に蓄積するにつれて、圧力は上昇する。したがってより多くの作動流体が潤滑油と混合されることになる。潤滑油は、性質として、エキスパンダにとって望ましくない、より急速な摩耗を引き起こす可能性がある。したがって、流体分離器１０の目的の１つとして、作動流体をＯＲＣシステム１００の主に属する部分に満足に戻すことが挙げられ、作動流体は、例えば最終的にコンプレッサ１０４に送られる。
【００６６】
図１および図２に示す実施形態では、流体分離部１０はハウジング１０ａの形態である遮蔽部材を含み、分離容積１１を画定している。
１つまたは複数の物理的チャネルによって構成することができる第１の流体チャネル１２は、少なくとも１つの流体混合物入口経路１３を画定する（図１および図２参照）。バルブカバー３の空間３９内に形成され、流体チャネルカバー１４ａによって画定される第２の流体チャネル１４は、分離容積１１を流体チャネルカバー１４ａから内側に延在する戻り管２０を介し、シリンダヘッド２内の孔２０ａを通って、作動流体の戻り容積１５に接続する。このとき、作動流体戻り容積１５は排気ポート２５の一部である。シール２０ｂは、戻り管２０と孔２０ａとの間に設けられている。そのため、第２の流体チャネル１４は、排気ポートを介して作動流体をコンプレッサに戻すことを可能とし、図１、図２、および図３に示すように作動流体戻り経路１６を提供する。第３の流体チャネル１７は、潤滑油戻り経路１９を適切な潤滑油戻り容積１８とするために設けることができ、これは典型的に多かれ少なかれ任意に設けることができるが、適切なる内容積９０ａ、９０ｂの区間であり得る。
【００６７】
図１において、潤滑油６１の大部分は、分離容積１１に流入すると、重力により落下し、第３の流体チャネル１７を通って第１の内容積９０ａへ戻る。気相部分は、ここではリードバルブ装置として設けられているバルブ装置３０の作動流体出口３１を通って分離容積１１から流出し続ける。バルブ装置３０は、排気システムまたはエキスパンダ１の内容積９０ａ、９０ｂ内の圧力パルスが排気ポート２５からの作動流体の逆流を引き起こすことを防止する。リードバルブ装置３０の後、作動流体は圧力差のために排気ポート２５に押し込まれ、そこで作動チャンバ５から排出される作動流体と合流し混合する。
【００６８】
本発明により、流体は、エキスパンダの全容積９内で完全に分離されて送られる。エキスパンダ１の外部に配置された分離部１０と装置との間に外部接続は必要なく、外部接続されたパイプ、継手の必要性が完全に排除される。そのため、いくつかの起こり得る漏洩箇所を排除できる。
潤滑油は、とにかく、エキスパンダ１の内容積９０ａ、９０ｂに戻されることを意図しており、簡単な構成では、流体混合物が分離容積１１に流入する際に使用する第１の流体通路１２を潤滑油戻り通路として使用することができる。これは図２および図３に示されている。ここでは、潤滑油は、分離容積１１に流入するのと全く同じ方法で分離容積１１から戻ることができるので、専用の物理的な第３のチャネルは設けられていない。内容積９０ａ、９０ｂからオイルパン６への潤滑油の戻りは、重力およびエキスパンダ１内部の適切な幾何学的な設計によってもたらされる。この具体的な実施は本発明にとって重要ではないので、本明細書ではこれ以上説明しない。
【００６９】
さらに別の実施形態（図３を参照）では、バッフル１０ｂの形態である遮蔽部材が分離容積１１を塞ぎ、作動流体出口３１を遮蔽している。また、バッフル１０ｂは潤滑油戻り経路１９の一部を形成している。
【００７０】
エキスパンダ１内のいくつかの構成要素、例えばピストン４１、クランクシャフト４４、コネクティングロッド４３、およびバルブ２２、２６は、絶え間なく激しく作動しているので、内容積９０ａ、９０ｂの内部に含まれる流体には連続的かつ激しい運動（流れ）が生じる可能性がある。これは、潤滑油と同様に作動流体にも当てはまる。潤滑油は、部分的に液滴またはエアロゾルの形態となる。この一定で激しい流体運動によって、流体分離部１０は、作動流体出口３１に直接さらされる潤滑油の量を制限するように形成される。これは、作動流体出口３１、すなわち作動流体戻りチャネル１４を内容積９０ａ、９０ｂから遮蔽することによって達成される。遮蔽は、例えばオイル分離ハウジング１０ａまたはバッフル１０ｂによって提供される（図３を参照）。
【００７１】
本発明の特定の実施形態では、合体促進材２８（図２を参照）を分離容積１１に挿入することによって、より小さい潤滑油の液滴が合体し、適切に内容積９０ａ、９０ｂのどちらかに確実に戻ることができる（例えば重力によって）。
【００７２】
さらに、本発明は、エキスパンダ１の全容積９が、適切な密閉装置および方法の実施を通じて、外環境から完全に密閉されていると仮定する。エキスパンダ１は、運転開始前に排気されているので、エキスパンダ１の内容積９０ａ、９０ｂは、一般に、空気およびその他の非凝縮性ガスを含まない。
【００７３】
例えば、蒸気圧縮に基づくヒートポンプシステムにおいて圧縮手段として作用するコンプレッサは、作動流体の流れがＯＲＣと比較して効果的にリバースされるという主な違いを除いて、流体分離のために全く同じ解決策を使用することができる。作動流体戻り容積１５は、蒸気圧縮の例においては、エキスパンダの排気ポート２５の一部ではなく、コンプレッサの吸気ポート２５ａの一部となる。
【００７４】
本明細書におけるエキスパンダ１は、バルブタイミングを調整するための適切な手段が提供されるという条件で、可逆的にコンプレッサとして使用されてもよい。その場合、排気バルブ２６は、入口（吸引）バルブとして作用することができ、全く同じ流体分離部１０を使用することが可能である。したがって、作動流体戻り容積１５は上述のように吸引ポートの一部となり得る。
【００７５】
置換機械１の冷間始動時には、通常の運転状態時よりもオイルパン６内の潤滑油６１と混合した作動流体が多くなる可能性がある。そのため、始動時に生じる過剰なオイル希釈による悪影響を制限するための方法がある。この方法は、ヒーター６９を用いてパン６内の潤滑油６１に熱を加えるための第１のステップを含む（図１参照）。さらに、この方法は、潤滑油６１の最低温度を測定および検出し、制御システムに作動可能信号を提供することを含む第２のステップを有し、これにより、置換機械を始動させることができる。
【００７６】
最後に、同じように作用する、または少なくとも類似のアプリケーションを有する他の置換装置も本発明から利益を得ることができる。例えば、ＷａｎｋｅｌエキスパンダまたはＷａｎｋｅｌコンプレッサは、多くの場合、本明細書に記載の流体分離部の解決法から利益を得ることができる。
【００７７】
上述した実施形態は、本発明を限定するのではなく例示するものであり、当業者は添付の特許請求の範囲から逸脱することなく多くの代替実施形態を設計することができることに留意されたい。請求項において、括弧内に配置されたいかなる参照符号も請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「含む」およびその活用形の使用は、請求項に記載されたもの以外の要素またはステップの存在を排除するものではない。また、構成要素に先行する冠詞は、構成要素が複数存在することを排除するものではない。
【００７８】
特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されていることは、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。
【図１】
2019533799.tif 000003
【図２】
2019533799.tif 000004
【図３】
2019533799.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2019533799.tif 000008
2019533799.tif 000009
2019533799.tif 000010
2019533799.tif 000011
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