(57)【要約】  容積型流体機械、特に有機ランキンサイクルシステムにおいて用いられるツインスクリュー膨張機のような容積式機械の潤滑のための装置、システムおよび方法であって、液相の作動流体の中に溶解可能でなくまた混和可能でもない潤滑剤と混合された作動流体を含む装置、システムおよび方法が提供される。
2017511860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ．流体と、
Ｂ．少なくとも１つの流体入口および少なくとも１つの流体出口を備えた容積型流体機械と、
Ｃ．前記流体に対して溶解可能でなくまた混和可能でもない少なくとも１つの潤滑剤であって、前記流体と混合されて、前記少なくとも１つの流体入口から前記少なくとも１つの流体出口まで前記機械を通って流れるコロイド状の流体混合物を形成する潤滑剤と、
Ｄ．前記混合物の一部分が潤滑目的用として抽出される少なくとも１つの混合物抽出点と、
Ｅ．前記流体抽出点と混合物受け入れ連絡する前記機械内の少なくとも１つの所要の潤滑点と、
を含む容積型流体機械の潤滑システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの混合物抽出点におけるシステム圧力が、混合物が前記少なくとも１つの混合物抽出点から前記少なくとも１つの所要の潤滑点に流れるように、前記少なくとも１つの所要の潤滑点におけるシステム圧力より十分に高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの混合物抽出点と前記少なくとも１つの所要の潤滑点との間に配置される少なくとも１つの流量制御弁をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの混合物抽出点と前記少なくとも１つの所要の潤滑点との間に配置される少なくとも１つの潤滑剤フィルタをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの混合物抽出点と前記少なくとも１つの所要の潤滑点との間に潤滑ポンプが配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも１つの混合物抽出点と前記潤滑ポンプとの間に配置される少なくとも１つの潤滑剤フィルタをさらに含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記潤滑ポンプと前記少なくとも１つの所要の潤滑点との間に配置される少なくとも１つの潤滑剤フィルタをさらに含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記機械が容積式機械である、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記容積式機械がＯＲＣシステムにおいて使用される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記機械がスクリュー膨張機である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記スクリュー膨張機がＯＲＣシステムにおいて使用される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記流体が、ＨＦＣ冷媒を含むＯＲＣ作動流体であり、前記潤滑剤が、鉱油、アルキルベンゼン油、または、コロイド状の懸濁質に保持される固体の潤滑剤添加物化合物の少なくとも一つを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ＨＦＣ冷媒がＲ−２４５ｆａ冷媒を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記混合物の撹拌が、前記システムを通る前記混合物の流れによって供給される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記混合物の撹拌が、固定翼、回転装置、攪拌機、循環器、循環ポンプ、混合機および注入ジェットの少なくともいずれか一つによって供給される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの流体入口および前記少なくとも１つの流体出口の間の流体のバイパスをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記流体のバイパスに前記バイパスを開閉するための弁をさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの流体出口と混合物受け入れ連絡しかつ前記少なくとも１つの流体入口と混合物送り出し連絡するシステムポンプをさらに含む請求項１に記載のシステムであって、少なくとも１つの流体抽出点が、前記システムポンプの出口と混合物受け入れ連絡する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
少なくとも１つの混合物貯槽または受け入れ装置をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
少なくとも１つの流体抽出点が、前記少なくとも１つの混合物貯槽または受け入れ装置における少なくとも１個所と混合物受け入れ連絡する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの混合物貯槽または受け入れ装置における前記少なくとも１個所の位置が調整可能である、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
少なくとも１つの流体抽出点が、少なくとも１つの混合物貯槽または受け入れ装置の内部に配置されるスキンマと混合物受け入れ連絡する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
全システムにおける前記混合物の組成が３質量％〜８質量％の潤滑剤を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
全システムにおける前記混合物の組成が５質量％〜６質量％の潤滑剤を含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記機械を通って流れる前記混合物が１質量％〜３質量％の潤滑剤を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記機械を通って流れる前記混合物が約２質量％の潤滑剤を含む、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
Ａ．流体を用意するステップと、
Ｂ．少なくとも１つの機械であって、前記流体が前記機械を通る際に前記流体に作用する、または前記流体によって作用される機械を含む装置を用意するステップと、
Ｂ．前記流体に対して溶解可能でなくまた混和可能でもない少なくとも１つの潤滑剤を用意するステップと、
Ｃ．前記流体および前記潤滑剤を混合してコロイド状の流体混合物を形成するステップと、
Ｄ．前記混合物を、前記装置および前記少なくとも１つの機械を通して循環させるステップと、
Ｅ．前記混合物の一部分を抽出して、それを、前記機械における少なくとも１個所を潤滑するのに使用するステップと、
を含む、容積型流体機械の潤滑方法。
【請求項２８】
ステップ（Ｅ）が、前記混合物の前記抽出された一部分を、少なくとも１つの潤滑剤フィルタを通すステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
ステップ（Ｄ）が、前記混合物を循環させるためにシステムポンプを使用するステップをさらに含み、ステップ（Ｅ）が、前記システムポンプの出口において前記混合物の一部分を抽出するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記装置が少なくとも１つの混合物貯槽または受け入れ装置をさらに含み、ステップ（Ｅ）が、少なくとも１つの混合物貯槽または受け入れ装置における１個所以上の点から前記混合物の一部分を抽出するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記装置がＯＲＣシステムである、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記装置がＯＲＣシステムであり、前記機械が容積式機械である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
前記機械がスクリュー膨張機である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３４】
前記装置がＯＲＣシステムであり、前記機械がスクリュー膨張機である、請求項２７に記載の方法。
【請求項３５】
前記流体が、ＨＦＣ冷媒を含むＯＲＣ作動流体であり、前記潤滑剤が、鉱油、アルキルベンゼン油、または、コロイド状の懸濁質に保持される固体の潤滑剤添加物化合物の少なくとも一つを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３６】
前記ＨＦＣ冷媒がＲ−２４５ｆａ冷媒を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
全システムにおける前記混合物の組成が３質量％〜８質量％の潤滑剤を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３８】
全システムにおける前記混合物の組成が５質量％〜６質量％の潤滑剤を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記機械を通って流れる前記混合物が１質量％〜３質量％の潤滑剤を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項４０】
前記機械を通って流れる前記混合物が約２質量％の潤滑剤を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
容積型流体機械において使用するための潤滑混合物であって、
Ａ．流体と、
Ｂ．前記流体に対して溶解可能でなくまた混和可能でもない少なくとも１つの潤滑剤であり、前記潤滑剤が前記混合物の中に分散された時には容積型流体機械を潤滑するのに適したコロイド状の混合物を形成する（ｉ）ように前記流体と混合される潤滑剤であって、（ｉｉ）撹拌しなければ、前記混合物の中に分散した状態を維持し得ない潤滑剤と、
を含む混合物。
【請求項４２】
前記機械が容積式機械である、請求項４１に記載の混合物。
【請求項４３】
前記容積式機械がＯＲＣシステムにおいて使用される、請求項４２に記載の混合物。
【請求項４４】
前記機械がスクリュー膨張機である、請求項４１に記載の混合物。
【請求項４５】
前記スクリュー膨張機がＯＲＣシステムにおいて使用される、請求項４４に記載の混合物。
【請求項４６】
前記流体が、ＨＦＣ冷媒を含むＯＲＣ作動流体であり、前記潤滑剤が、鉱油、アルキルベンゼン油、または、コロイド状の懸濁質に保持される固体の潤滑剤添加物化合物の少なくとも一つを含む、請求項４１に記載の混合物。
【請求項４７】
前記ＨＦＣ冷媒がＲ−２４５ｆａ冷媒を含む、請求項４６に記載の混合物。
【請求項４８】
前記混合物が３質量％〜８質量％の潤滑剤を含む、請求項４１に記載の混合物。
【請求項４９】
前記混合物が５質量％〜６質量％の潤滑剤を含む、請求項４８に記載の混合物。
【請求項５０】
前記機械を通って流れる前記混合物が１質量％〜３質量％の潤滑剤を含む、請求項４１に記載の混合物。
【請求項５１】
前記機械を通って流れる前記混合物が約２質量％の潤滑剤を含む、請求項５０に記載の混合物。
【請求項５２】
前記混合物の撹拌が、前記混合物が前記機械を含むシステムを通って流れる時に供給される、請求項４１に記載の混合物。
【請求項５３】
前記コロイド状の混合物の撹拌が、前記機械を含むシステム内の固定翼、回転装置、攪拌機、循環器、循環ポンプ、混合機および注入ジェットの少なくともいずれか一つによって供給される、請求項４１に記載の混合物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１４年２月２１日付で出願された“Ａｐｐａｒａｔｕｓｅｓ、Ｓｙｓｔｅｍｓ、ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  Ｍａｃｈｉｎｅｓ”なる表題の共同所有される米国仮特許出願第６１／９４３，３０１号明細書の利益を主張するものであり、この仮特許出願の内容は、その全体が、有用なすべての目的に関して、参照によって本明細書に組み込まれる。本明細書に記述される任意の条文と、参照によって本明細書に組み込まれる任意の条文との間に矛盾が生じた場合は、本明細書が優先されるものとする。
【０００２】
本発明は、容積式機械を含む容積型流体機械を潤滑するための装置、システムおよび方法に関し、特に、機械が作用する流体または機械によって作用される流体と混合される非溶解性、非混和性および／または未溶解の潤滑剤を使用する回転型スクリュー膨張機の潤滑装置、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
運転上の特性として流体の流れが組み込まれる機械は無数の応用例を有する。この定義に包含される装置は、圧縮、膨張、揚送機能を提供する機械であり、従って、すべての方式の圧縮機、膨張機およびポンプを包含する。容積式機械はこのような流体ベースの機械の特に有用な部分集合である。形態としては、リニア容積型機械、往復動容積型機械および回転容積型機械が含まれる。いくつかの容積式機械の応用例においては、原動力が機械に加えられ、液体または気体状態の流体が、機械の１つ以上の可動表面による流体の排除によって機械の入口から出口に駆動される。他の応用例においては、流体の質量流れによって、あるいは流体が機械内部で受ける物理的プロセス、例えば膨張によって、機械内部の１つ以上の可動表面に力が加えられ、それによって、流体が機械の入口から出口に駆動されると共に、その間、相互結合されている装置またはシステムに対して仕事を遂行するように印加し得る対応力を発生させる。特定の機械、用途および運転条件によって、特定の潤滑要件が指示されるが、高圧高温で作動する機械、高い内部力および外部負荷条件を有する機械、および大きな直線速度または角速度で作動する構成要素を備えた機械は、一般的に、他の機械よりさらに厳格な潤滑要件を必要とする。
【０００４】
容積式機械は、その力および圧力のために、通常、高強度の硬化金属合金から製作されるが、このような装置は摩擦を最小化するために十分な潤滑を必要とする。摩擦は、機械に高い熱と摩耗とを発生させ、性能低下および早期の故障をもたらす可能性がある。使用されている容積式機械の多くの構成のそれぞれに対して、多様な潤滑方法およびシステムが存在する。
【０００５】
適正な潤滑が必須である容積式機械の特定の一分類は、米国特許第６，２９６，４６１号明細書に記述されているような、複数スクリューの容積式機械として知られる回転型容積式装置である。「ツインスクリュー膨張機（ｔｗｉｎ  ｓｃｒｅｗ  ｅｘｐａｎｄｅｒ）」とも呼称されるこの装置は、平行な軸上に装着されるらせん様式の１対の相互噛み合いロータを備える。この装置は、例えば冷媒のような作動流体と組み合わせて、冷媒を機械内部で膨張させるシステムにおいて用いることが可能であり、それによって、連結される機械の出力軸において回転トルクを提供し、例えば発電機を駆動して発電するように、別の装置またはシステムに対して仕事を遂行することができる。この一般的な原理に基づくシステムの一分類は「有機ランキンサイクル（ｏｒｇａｎｉｃ  Ｒａｎｋｉｎｅ  ｃｙｃｌｅ）」またはＯＲＣシステムと呼称されるが、この名称は、それが熱ランキンプロセスを用いることに由来する。多くの場合冷媒であるが必ずしもそれに限らない液体の作動流体の閉ループの流れを、利用可能な十分の熱源によって気体状態または半気体状態に加熱し、ツインスクリュー膨張機のような適切な装置において膨張させ、冷却してその液体状態に戻し、さらに続いて、連続プロセスにおける引き続く膨張のために揚送しかつ再加熱する。この方式によって、熱エネルギーが、発電機による発電のような、あるいは、１つ以上の代替的または付加的システムまたは装置に連結される場合のような任意の他の有用な目的に使用し得る機械的エネルギーに変換される。
【０００６】
有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を用いる熱エネルギー回収システムが開発され、大型燃焼機関、ボイラなどのような熱源から熱が再捕捉されている。廃熱からの発電用の典型的な一先行技術のＯＲＣシステムを図１に示す。熱交換器１０１は、閉ループシステムにおける熱交換媒体の流れを受け入れ、その熱交換媒体はポート１０６における大型の内燃機関からのエネルギーによって加熱される。
【０００７】
例えば、この熱エネルギーは、燃焼機関を冷却する際に加熱されるジャケット水を介して内燃機関から直接供給することができるか、あるいは、それを、１つ以上の燃焼機関の高温排気ガス源に近接して設置される中間の熱交換システムを介して、ＯＲＣシステムに連結することができる。いずれの場合においても、燃焼機関または熱交換器によって加熱された物質は、ポート１０６またはその専用等価物に揚送される。加熱された物質は、熱交換器１０１を通って流れ、その潜熱エネルギーの一部分を、別個の装置ではあるが熱的に連結された閉ループのＯＲＣシステムであって、通常、作動流体として有機冷媒を用いるＯＲＣシステムに伝達した後、ポート１０７から流出する。主として気体状態の加熱された作動流体は、システムのポンプ１０５からの圧力を有したまま、膨張機１０２の入口ポートに導かれる。膨張機１０２は、ターボ機械、ツインスクリュー膨張機を含むがこれに限定されない種々の形態の容積式機械などとすることができる。加熱かつ加圧された作動流体は、この膨張機１０２において機械内部で膨張することが可能になり、この膨張によって、発電機１０３を駆動して発電するように操作連結される回転運動エネルギーが生成される。電力は、続いて、地域的な独立電力網または商業電力網に供給することができる。膨張機の出口ポートにおける膨張した作動流体は、通常、液体の作動流体と気体の作動流体との混合物であるが、これは続いてコンデンササブシステム１０４に供給され、そこで、完全な液体状態に戻るまで冷却される。コンデンササブシステム１０４は、任意選択肢として、システムポンプ１０５への十分な供給を常時確保するために一定量の冷却された作動流体を貯蔵する受け入れタンク、貯槽または同等の容器を含むことができるか、あるいは、それに操作連結することができる。
【０００８】
ＯＲＣシステムは、燃焼機関および発電機と共に使用することに限定されない。任意の十分な熱源を、ＯＲＣ作動流体を気化させるためにポート１０６に導くことができる。この熱源としては、ボイラ、地熱熱水、大型太陽光アレイ冷却用流体、ガスコンプレッサ、または他の工業プロセスなどが含まれるがこれに限定されない。同様に、膨張機によって機械的動力の形で供給される回転運動エネルギーは、発電機駆動に加えて、あるいはその代わりに、任意の有用な目的に利用することができる。このような目的として、ポンプ、燃焼機関、ファン、タービン、コンプレッサの少なくともいずれかの駆動、あるいは入口側熱源に動力を戻すことが含まれるがこれに限定されない。
【０００９】
コンデンササブシステムは、場合によっては、空冷または液体冷却のラジエータのアレイ、あるいは同等の熱除去性能を有する他のシステムを含む。作動流体は、このラジエータアレイまたは他のシステムを通って、システムポンプ１０５の入口における所要の温度および状態に達するまで循環される。システムポンプ１０５は、原動力を供給して全システムを加圧し、液体の作動流体を熱交換器１０１に供給する。この熱交換器１０１において、作動流体は、入力熱が供給するエネルギーによって再度加熱され、その気体状態への少なくとも部分的な相変化を受けて、有機ランキンサイクルプロセスが継続するようになる。閉ループシステム全体を通して作動流体が存在することによって、入口ポート１０６に十分な熱エネルギーが存在して作動流体を必要な温度に加熱する必要エネルギーが供給される限り、プロセスが確実に連続化される。例えばＬａｎｇｓｏｎの米国特許第７，６３７，１０８号明細書（「動力配合装置（Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｅｒ）」）を参照されたい。この米国特許の内容は、その全体が、有用なすべての目的に関して、参照によって本明細書に組み込まれる。
【００１０】
ＯＲＣシステムにおける容積式機械の潤滑は、従来、いくつかの手段の内の１つによって実施されてきた。ポンプ、潤滑油溜め、中間接続配管または導管、および／または他の関連機器を含む別個の潤滑サブシステムが、システムにおける種々の個所から必要に応じて潤滑油を回収し、潤滑油の連続流れを、潤滑を必要とする軸受と機械の表面とに循環させる。これらの先行技術のシステムにおいては、作動流体が、システムの特定領域において別個の流体として同時に流れることがあり得るけれども、潤滑は、作動流体とは意図的に組み合わされていない。このような潤滑サブシステムは、機械の適正な運転を支持するのに必要な構成要素の数を増大させ、コストの上昇と、潤滑サブシステムの故障は機械を運転不能にするが故に信頼性の低下とを招くことになる。
【００１１】
ＯＲＣシステムにおけるツインスクリュー膨張機用として特に適していると記述される別の容積式機械の潤滑法が、Ｓｍｉｔｈの米国特許第８，２１５，１１４号明細書に開示されている。この場合、液相の作動流体の中に溶解可能または混和可能な潤滑剤が、前述の作動流体と直接混合され、均質、一様かつ安定な混合物として、全ＯＲＣシステムを通って流れる。Ｓｍｉｔｈは、液体の作動流体が加熱されると気化（蒸発）し、機械の運転に必要な潤滑を提供するのに名目的には十分な高濃度の液体形態の潤滑剤が残されると教示する。特に、この特許は、作動流体と潤滑剤との混合物が、膨張機の回転要素に関わる軸受位置に注入されると、前述の軸受による発生熱が液相の作動流体を蒸発させ、その軸受内に、適切な潤滑に十分な濃縮された潤滑剤が残されることを教示している。このシステムおよび方法は、別個の潤滑サブシステムを必要としないという格別の利点を提供し、それによって、信頼性の向上と製造コストの低下とをもたらす。しかし、この方法は、軸受部の熱が作動流体を蒸発させるには不十分である状況に対処し得ない。
【００１２】
潤滑剤は、冷媒の熱エネルギー伝達特性と同様の特性を有しないので、作動流体および潤滑剤の混合物は、潤滑剤を含まないシステムのＯＲＣ性能と比べた場合、ＯＲＣ性能を幾分か低下させることになるであろう。この理由から、作動流体混合物においては、それぞれの特定の作動流体固有の圧力および温度気化特性に大きく依存しているＯＲＣシステムの運転性能を過度に低下させないように、比較的低濃度（５重量％以下）の潤滑剤が規定されている。この潤滑剤の濃度は、均質な混和性溶液として、全システムを通して、常時一様に存在することに留意することが重要である。実験によれば、この潤滑剤の濃度においては、いくつかの特定の用途の場合、Ｓｍｉｔｈが教示する作動流体の気化に必要な温度よりかなり低い軸受の運転温度において、故障に至るツインスクリュー膨張機の軸受の物理的劣化が生じることが観察された。換言すれば、軸受は、適正な潤滑の欠如から、すなわち、作動流体を気化させるのに十分な、かつＳｍｉｔｈが教示する潤滑剤の十分な濃度を提供するのに十分な温度に達しないことから、故障に近付くように見られるのである。特定の機械に関しては、かつ特定の運転条件の下では、Ｓｍｉｔｈが教示する技術は機械の適切な潤滑を提供しない。
【００１３】
さらに、低比率の溶解可能なまたは混和可能な潤滑剤を、容積型流体機械を通って流れる流体と混合して使用すると、前述の潤滑剤の潤滑性が劣化し、少なくとも、流体による潤滑剤の希釈がその有効性を低下させる。さらに、潤滑剤が分子レベルで他の物質と何らかの形で結合または付着することによって、潤滑剤の有益な特性の少なくとも一部分が、すべてではなくてもほとんど失われることになる。ＯＲＣシステムのような作動流体の熱的特性に大きく依拠しているシステムにおいて、潤滑剤の構成比率を増大することによってこの問題を解決しようとすることは、熱エネルギーを機械的動力または電力に効率的に変換するシステムの能力を低下させるリスクを伴う。従って、適正な潤滑を確保するのに必要な潤滑剤の最低構成比率を用いることが望ましい。潤滑とシステムの性能低下との間のトレードオフは、既存の技術では解決できない調整を表している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、容積型流体機械、特に、高信頼性および高効率の潤滑手段を必要とする特定のタイプの回転容積式機械を適切に潤滑する問題は、現在の技術によっては解決できない。この問題を解決するシステムおよび方法は、現在の知識を前進させると共に、当分野において即刻有用になるであろう。本明細書に開示する装置、システムおよび方法は、あらゆるタイプの容積型流体機械における潤滑用の技術であって、別個の潤滑サブシステムを必要とせず、しかも、先行技術が教示するように液相の作動流体に溶解可能または混和可能な潤滑剤と混合される作動流体を気化させるに十分な軸受熱を発生し得ないシステムにおいても完全な潤滑を可能にする技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
容積型流体機械、特に有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムに用いられるツインスクリュー膨張機のような容積式機械の潤滑用の装置、システムおよび方法が提供される。この潤滑システムおよび方法は、別個の潤滑サブシステムを必要とすることなく、また、液相の作動流体に溶解可能なまたは混和可能な潤滑剤と混合される作動流体を気化するのに十分な軸受熱をも必要としない。本発明は、溶解可能なまたは混和可能な潤滑剤の代わりに、完全にまたは実質的に非溶解性または非混和性の潤滑剤の１種類または１種類より多くの組み合わせを作動流体と混合し、特殊な装置および方法によって利用して、広範囲の容積型流体機械に対する高効率および高信頼性の潤滑を提供する。
【００１６】
容積型流体機械の非溶解性または非混和性の潤滑用の装置、システムおよび方法は、スクリュー膨張機のような容積式機械に使用するのに特に適しているが、本開示は、多様な他の機械にも同様に有用であることが知られている。また、本明細書における「機械（ｍａｃｈｉｎｅ）」という用語の使用は、潤滑から恩恵を受け得る任意のかつすべての機械に対して、それが単独でもあるいは他の機械との組合せにおいても適用されるように意図されていることが理解されるべきである。さらに、この機械としては、流体が、被駆動媒体として、あるいは、質量流れによって、または流体が機械を通過する際に生じ得る何らかの物理的または状態的変化によって機械に駆動力を付与する媒体として通過する機械が想定されている。潤滑を提供するために任意のこのような機械を通過する流体に１種類以上の非溶解性・非混和性の潤滑剤を添加することは、本発明の範囲内であり、従って、本開示が想定するところである。
【００１７】
いくつかの実施形態においては、液相の作動流体に実質的に溶解可能でない、または混和可能でない１種類以上の潤滑剤を、ＯＲＣシステムに使用する作動流体と所定の特定比率において混合する。作動流体（「ｗｏｒｋｉｎｇ  ｆｌｕｉｄ：ＷＦ」）と、１種類以上の非溶解性・非混和性潤滑剤（「ｎｏｎ−ｓｏｌｕｂｌｅ、ｉｍｍｉｓｃｉｂｌｅ  ｌｕｂｒｉｃａｎｔ：ＮＳＩＬ」）とのこのような混合物は、時間に関して本来的に不安定な組成物であって分離傾向を有する非均質なコロイド状ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を含む。機械を含むシステムが正常運転をしている間は、コロイド状ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物のＮＳＩＬ成分は、システム内の所要位置に均等に分散される。十分な時間休止すると、このようなコロイド状混合物は、ＷＦおよびＮＳＩＬ成分の部分的なまたはほぼ完全な自己分離に達することがあり、その場合は、ＮＳＩＬ成分はＷＦ／ＮＳＩＬ混合物内部に分散しなくなる。微量の各成分のみが他方の分離された層内に存在し得る。
【００１８】
いくつかの実施形態においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物内のＮＳＩＬが、機械の金属表面を被膜しかつ潤滑すると共に、軸受、および直接噴射の必要のない他の潤滑必要個所に付随的に蓄積する。
【００１９】
いくつかの実施形態においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が、システム内の１つ以上の潤滑必要個所に正圧で直接供給される。この場合、その潤滑は混合物のＮＳＩＬ成分によって提供される。特に、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の一部分を潤滑点に導くために、潤滑ラインを、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の供給を好ましい温度において利用できるシステム内の抽出点から延ばすことができる。いくつかの実施形態においては、冷却されたＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が、システムポンプの出口において抽出され、１つ以上の軸受のハウジングに、または直接軸受に、または機械の他の潤滑必要個所に操作連絡される。ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物内に存在するＮＳＩＬは、軸受を被膜し、ＮＳＩＬと金属表面との間の高い親和性の結果として典型的な潤滑を提供する。
【００２０】
いくつかの実施形態においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が、システム内部の１つ以上の他の抽出源個所から抽出されて潤滑所要点に供給される。ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の抽出源と、軸受ハウジングおよび／または他の潤滑点における潤滑入口ポートとの間の圧力差が必要な流れを生成するには不十分である場合は、確実かつ制御可能な流れを実現するために、補足的な潤滑ポンプを用いることができる。いくつかのＯＲＣ実施形態においては、容積式機械１０２の出口から取り出される膨張ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を、捕捉して、潤滑に必要なものとして直ちに機械にポンプで送り戻すことができる。このＷＦ／ＮＳＩＬ混合物は、機械の運転温度と潤滑剤の温度との合致が特定の用途用として最適である状況において、被潤滑機械の運転温度に最も近い潤滑抽出源を提供し得る。同様に、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を、システム内部の任意の望ましい位置から得ることができる。しかし、潤滑に使用するＷＦ／ＮＳＩＬ混合物は高い液体成分を有することが一般的には好ましい。例えば、ＯＲＣ熱交換器１０１の出口から、完全にまたは実質的に気化した予備膨張ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を抽出することは、その高温と、システムエンタルピの最高点における抽出の潜在的難点とから、いくつかのＯＲＣ実施形態のツインスクリュー膨張機の潤滑には必ずしも適していないであろう。しかし、ＯＲＣ以外の用途に使用する他のタイプの機械は、潤滑用のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を抽出し得る多数の好ましい抽出源を有する可能性があり、考えられるあらゆる用途に、単一の解決策が必ずしも最適ではないであろう。
【００２１】
いくつかの実施形態においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を、流体貯層または受け入れタンク内部の１つ以上の位置から抽出して、補足的な潤滑ポンプを介して所要の潤滑点に供給することができる。本明細書の他の個所に記述するようなコロイド状ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の分離傾向のために、混合物の一部分を潤滑目的用として抽出する貯層または受け入れタンク内部の位置は、ＮＳＩＬに対する作動流体の相対的比率をほとんど決定するであろう。また、本明細書において詳述するように、コロイド状混合物は、その境界が明確でないが、混合物の組成が、主として作動流体を含む層から主としてＮＳＩＬの層に変化する複数の層に分離する傾向を有するであろう。所要の混合物を抽出してそれを所要の潤滑点に導くための十分な原動力を供給する補足的な潤滑ポンプを介して抽出する場合は、混合物を、タンク内部の任意の所要の点から抽出することができる。これによって、システムの設計者は、所望の潤滑の結果を実現するために、正確な抽出位置、および従ってＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の正確な組成を選択できるようになる。いくつかの実施形態においては、潤滑目的用のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の抽出位置を、可動入口ポートまたは類似の手段によって可変とすることができ、手動によって、あるいは、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の組成を決定できるセンサをさらに含むマイクロプロセッサベースの制御システムであって、従って位置を調整できる制御システムによって制御することができる。いくつかの実施形態においては、複数個の抽出位置を用いて、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を、潤滑目的用として任意の特定の時間に最も好ましい位置から抽出することができる。この実施形態は、同様に、手動制御を含むことができるか、あるいは、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の組成を決定し得るセンサをさらに含むマイクロプロセッサベースの制御システムによって運転することができる。他の実施形態においては、複数個の抽出位置および可動入口ポートの組み合わせを利用することができる。
【００２２】
いくつかの実施形態においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を、流体貯層または受け入れタンクに配置される１つ以上のスキンマを用いて抽出することができる。他の個所で言及するように、ＮＳＩＬがＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の残余を含む流体より低い比重を有する場合は、重力による分離によって、タンクの上層にＮＳＩＬ富化された流体が集合する。最上層の層からＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の一部分を抽出するためにスキンマを用いると、所要の潤滑点注入用として潤滑剤が最も豊富な混合物の部分が有利に生成されるであろう。
【００２３】
いくつかの実施形態においては、コロイド状のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物内に、その組成上の安定性を高めるためのいかなる助剤も存在しない。いくつかの実施形態においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物内に乳化剤のような１つ以上の助剤を添加して、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の時間に関する安定性を高め、従って、重力、あるいは他の内的または外的刺激に基づくその分離傾向を低減させる。
【００２４】
いくつかの実施形態においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の非溶解性・非混和性潤滑剤と作動流体との相対的比率が、システムにおける位置に応じて変化する。換言すれば、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物がその内部を循環する閉ループ全体を通して種々の点で抽出されるＷＦ／ＮＳＩＬ混合物のサンプルが、同一でないＮＳＩＬ濃度を含むことがあり得る。例えば凝縮したＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が蓄積されるシステムの特定部分のような、流体の動きが抑えられた閉ループ径路のセグメントの内部においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の観察される分離が最大になり、各成分の相対的比率は大きく変化するが、この場合、サンプリング位置においては相対的に小さい変化しか見られないであろう。流体の動きが最大になるか、あるいは、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の機械的撹拌が生じる点に近接するシステムの他のセグメントの内部においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の各成分の相対的比率は、サンプリング位置における小さい変化に応じてより一層一様であろう。
【００２５】
いくつかの実施形態においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物における非溶解性・非混和性潤滑剤と作動流体との相対的比率であって、その混合物が内部を循環している閉ループの径路内の固定された位置において測定される相対的比率が、時間に応じて変化することができる。この実施形態においては、ＯＲＣシステムの運転の間のある時間間隔にわたって単一の位置において取られるＮＳＩＬ濃度の繰り返し測定値が、平衡状態に達するまで、時間に応じて変化するであろう。これは、特に、先に何らかの明白な期間休止した場合のＯＲＣシステムの最初の起動の間において真である。当然ながら、コロイド状のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物は、前述の混合物が休止して、１つ以上の内力または外力によって撹拌されない場合は分離傾向を有するので、再起動されたシステムは、作動流体と非溶解性・非混和性潤滑剤との高度に非一様な分布から運転開始することになる。いくつかの実施形態においては、不釣り合いに高い濃度のＮＳＩＬが、冷却された作動流体を貯蔵する貯槽または受け入れタンク内部の特定の層、あるいは、休止システム内部のどこかに集合する可能性がある。前述の本開示と同様に、流体が前述の受け入れタンクから引き抜かれる位置に応じて、かつ、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物に加えられる撹拌の有無によって、前述の受け入れタンクからのＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の最初の引き抜き分は、非溶解性・非混和性潤滑剤を高濃度に含有するか、あるいはそれを基本的にほとんど含まない可能性がある。その理由は、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物のＮＳＩＬ成分の分散がシステムの運転にとって重要なシステム内の各点において、ＮＳＩＬ成分が均等に分散されていないからである。システムの運転が継続するに連れて、システム全体を通してのＮＳＩＬの分布が、システム内の各点においてＮＳＩＬ混合物の通常の期待分布に近付き始めるであろう。そして、結局のところは、基本的に定常な運転状態の下での適切なＮＳＩＬ濃度に達するが、そのシステム内の各点においては、前記の実施形態に関して記述したように、なお、そのような濃度が位置によって変化する場合がある。ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物内におけるＮＳＩＬの最適な分散が定常状態の運転に対して実現される運転状態を、潤滑平衡と呼称することができる。
【００２６】
いくつかの実施形態においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物がまだ潤滑平衡の状態に達していない期間中の機械の運転を防止するために、弁を備えた流体のバイパス回路を、その機械の回りに用いることができる。このような期間中、機械の回転表面および軸受に対する潤滑が不十分であると、機械が作動した場合、機械に損傷もしくは故障を惹起する可能性があり、従って、潤滑性がまだ好ましくない状態の下での機械の運転を避けるために、ＷＦ／ＮＳＩＬの初期流れを、機械を通すのではなく、機械を迂回させるのである。ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が適切な潤滑平衡に達すると、バイパス弁を閉じて、バイパス流れを遮断し、適切に再構成されたＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を、機械を運転開始する時に、機械を通して流すことができる。バイパス弁の制御は、手動法によって、あるいは、ＯＲＣシステムの運転の他の様態を監視かつ制御するマイクロプロセッサベースの制御システムによって遂行することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が一旦潤滑平衡に達した後、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の局所的な均質性が、システムポンプの出口と機械の出口との間の閉ループの循環径路におけるすべての点において相対的に一様である。閉ループＯＲＣシステムのこのセグメントの内部において、システムポンプからの正圧によって駆動される循環ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物は、１つ以上の熱交換器を介する外部熱源からの熱エネルギーの伝達に由来するエンタルピの増大と、引き続いて容積式機械における膨張とを受ける。ポンプ出口に存在するＷＦ／ＮＳＩＬ混合物のすべては、全体的な組成が些かも変化することなく機械の出口に直接出現する。ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の閉ループ回路のこのセグメントにおいては、流れが能動流れであり、かつ明白なＷＦ／ＮＳＩＬ混合物貯槽が存在しないことから、当初のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の流れに付加するまたはそれから引く抜く何物もなく、従って、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の流れにおけるＮＳＩＬの全体的な濃度は全体として一様でなければならない。この実施形態は、特に、主として液体の、最少気化しかしない作動流体を含むシステムに適用可能である。
【００２８】
いくつかの実施形態においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が一旦潤滑平衡に達した後、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の局所的な均質性が、システムポンプの出口と機械の出口との間の閉ループの循環径路におけるすべての点において一様でない。これら２つの点の間に混合物用の入口および出口は存在しないけれども、これらの実施形態においては、作動流体は、ＯＲＣシステムに供給される熱によって少なくとも部分的に気化するが、潤滑剤は気化しないという事実によって、液体のＮＳＩＬと、気化した作動流体と、場合によっては液体の（非気化）作動流体とから構成される混合物が生じるであろう。このような条件の下では、いかなる残存非気化液体混合物におけるＮＳＩＬの相対的比率も、その点における全作動流体がまだ液体状態のままである場合より当然高いであろう。ＮＳＩＬは、熱交換器における気化に先立ってシステムポンプの出口において存在しているからである。
【００２９】
いくつかの実施形態においては、閉ループの全ＯＲＣシステム内部の非均質な合計ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物であって、システムの内面に存在する潤滑剤を含むと共に、流体貯槽または受け入れタンクに高濃度で貯留される潤滑剤を含む合計のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が、３質量％〜８質量％のＮＳＩＬを含む。好ましくは、ＮＳＩＬ成分は、合計のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の５質量％〜６質量％である。
【００３０】
いくつかの実施形態においては、潤滑平衡の状態の下で、システムポンプの出口と機械の出口との間の閉ループ回路のセグメント内部に流れる非均質なＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の部分が、１質量％〜３質量％のＮＳＩＬを含む。この濃度は約２質量％ＮＳＩＬであることが望ましい。ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の一部分がシステムポンプの出口で抽出されるいくつかの実施形態においては、抽出される混合物の一部分におけるＮＳＩＬの濃度は、システムポンプの出口と機械の出口との間の閉ループ回路のセグメント内部のＮＳＩＬの濃度と同じである。両者の混合物部分が共通の抽出源から得られているからである。
【００３１】
いくつかの実施形態においては、非均質なＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を、前述の混合物の均質性を一時的に高めるために意図的な撹拌操作にかける。いくつかの実施形態においては、コロイド状のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の均質性を高める意図的な試みは全く行われず、撹拌は、ＯＲＣシステムの通常運転に付随して行われるだけである。
【００３２】
いくつかの実施形態においては、ＯＲＣシステムが、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の一部分を蓄積し得る１つ以上の受け入れ装置、貯槽または容器を含む。これらの配置は、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物がそこに集合する時にそれが分離する可能性を容易にもたらし、流体循環中の偶発的な運動力および熱伝達を一時的に受けることがない。コロイド状のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が分離するに連れて、システム内に存在する合計のＮＳＩＬのかなりの部分が、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物がシステムに潤滑を提供しない非循環ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の最上層に集合し始める。システム内部のＮＳＩＬ濃度を低減しても、この蓄積は防止されず、反って、潤滑目的用のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物中の利用可能なＮＳＩＬ濃度を低減して、システムの運転を損なうことが判明している。
【００３３】
いくつかの実施形態においては、ＯＲＣシステムが、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の蓄積を可能にする受け入れ装置、貯槽または他の容器を含まない。この実施形態においては、ＮＳＩＬが潤滑機能を提供しない位置におけるシステム内のＮＳＩＬの蓄積はなく、システムに添加されるＮＳＩＬの全量を、潤滑に必要なＮＳＩＬの濃度に負の影響を及ぼすことなく低減することができる。
【００３４】
制限ではなく例として、本発明のこれらの実施および他の実施形態は、以下および本明細書の他の個所に記述する１つ以上の特徴を含むことができる。
【００３５】
潤滑を必要とする機械は、膨張、圧縮、揚送または他の目的のいずれであれ、所要のシステムにおける使用に適した任意の容積型流体機械とすることができる。この機械は、それを通過する流体に力を加える場合があり、あるいは、例えば、流体の膨張、圧力を有する状態で機械を通過する流体の質量流れ、または任意の他の態様のような、但しこれには限定されない物理的現象によって、流体が機械に力を付与する場合がある。いくつかの実施形態においては、機械が、ＯＲＣ熱回収システムにおける使用に特に適したツインスクリュー膨張機のような容積式機械であり、いくつかの実施形態においては、機械を、所要の用途における使用に適した、回転、往復動、直線動または非直線動の機械の任意のタイプのものであって、潤滑を必要とし、かつ、液体、気体または液体／気体の混合相の作動流体と共に使用するのにも適した任意のタイプの機械とすることができる。
【００３６】
作動流体は、Ｇｅｎｅｔｒｏｎ（登録商標）として商業的に知られ、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社が製造しているＲ−２４５ｆａのようなヒドロフルオロカーボン（ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ：ＨＦＣ）類の有機冷媒とすることができる。しかし、他の実施形態においては、Ｒ−１２３、Ｒ−１３４Ａ、Ｒ−２２などを含むがこれに限定されない任意の有機冷媒、並びに、他の任意の適切な炭化水素または他の流体を用いることができる。作動流体は、また、水、あるいは機械およびシステムの意図する目的に適した任意の他の物質とすることもできる。
【００３７】
いくつかの実施形態においては、ＮＳＩＬは、鉱油、あるいは、液相の作動流体に溶解可能でなくまた混和可能でもない任意の他の適切な１種類以上の液体潤滑剤を含むことができる。鉱油はＲ−２４５ｆａのようなＨＦＣ冷媒中に溶解可能または混和可能でなく、それを冷媒と共に使用することは本発明と合致する。Ｒ−２４５ｆａに対して十分に非溶解性かつ非混和性であることが明証されたこのようなタイプの鉱油の１つが、ミズーリ州Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ市のＮｕ−Ｃａｌｇｏｎ社によって製造されており、異なる用途に対していくつかの粘度において利用可能である（Ｃ−３ｓ、Ｃ−４ｓおよびＣ−５ｓ）。しかし、鉱油は、ＣＦＣまたはＨＣＦＣのような塩素化化合物を含む冷媒を含めて、他の冷媒とは混和可能であることが知られており、従って、このような冷媒と共に使用する場合には、本開示の教示に適合するために鉱油以外の潤滑剤が必要になるであろう。いくつかの実施形態においては、ＮＳＩＬは、選択された液相の作動流体に同様に溶解可能でなく混和可能でもない鉱油の合成代替品または他の潤滑剤を含むことができる。鉱油に対するこのような合成代替選択肢の１つは、Ｎｕ−Ｃａｌｇｏｎ社がＺｅｒｏｌ（登録商標）なる製品名で製造しているアルキルベンゼン油化合物族である。鉱油の場合と同様に、この製品は、ＣＦＣおよびＨＣＦＣ冷媒と混和可能であるが、Ｒ−２４５ｆａのようなＨＦＣ冷媒に対しては溶解可能でなく混和可能でもないことが知られており、これによって、この製品は、本開示によるＮＳＩＬとして、ＨＦＣ冷媒と共に使用するには適しているが、ＣＦＣまたはＨＣＦＣ冷媒と共に使用するには適していないことになる。再言すると、本開示に従って用いられるＮＳＩＬの具体的な調合剤は、作動流体のタイプおよび特性に決定的に左右されると共に、潤滑剤の混和性はその温度に部分的に依存するので、システムの運転温度および圧力によって左右される。いくつかの実施形態においては、ＮＳＩＬは、作動流体中においてコロイド状の懸濁状態に保持される固体の潤滑添加化合物を、１つ以上の非溶解性・非混和性の液体潤滑剤または他の液体潤滑剤と組み合わせて、あるいは、その代わりに含むことができる。このような固体の潤滑添加剤は、コネチカット州Ｒｏｃｋｙ  Ｈｉｌｌ市のＨｅｎｋｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社がＡｃｈｅｓｏｎのブランド名で製造販売しているタイプのものとすることができる。
【００３８】
いくつかの実施形態においては、このシステムがさらに１つ以上のフィルタを含む。軸受のような所要の潤滑点における注入用として抽出されるＷＦ／ＮＳＩＬ混合物は、このフィルタを通過して、水分および粒子状の汚染物質を含むがそれに限定されないその不純物が除去される。不純物は、拡大された使用期間中フィルタ内に蓄積し得る。このような不純物は、ＮＳＩＬの潤滑性を劣化させ、特に連続かつかなりの荷重を受ける軸受の場合は一般的に軸受寿命に有害になるであろう。これらの実施形態に適したフィルタとして、ミズーリ州Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ郡のＰａｒｋｅｒ  Ｈａｎｎｉｆｉｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社のＳｐｏｒｌａｎ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎが提供するＯＦシリーズのフィルタ、カリフォルニア州Ｓａｎｔａ  Ｆｅ  Ｓｐｒｉｎｇｓ市のＭｃＭａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒ社が提供するＨＦ２Ｐシリーズのフィルタ、およびイリノイ州Ｇｌｅｎｄａｌｅ  Ｈｅｉｇｈｔｓ市のＨＹＤＡＣ  ＵＳＡ社が提供するＨＦ４ＲＬシリーズのフィルタが含まれ得るがこれに限定されない。
【００３９】
ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を撹拌すると、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物内部におけるＮＳＩＬ成分の分散によって、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の均質性が増大する。このような撹拌は、ＯＲＣシステムを通しての前記の混合物の循環プロセスに付随して付与することができる。ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の揚送、循環、加熱、膨張および凝縮というＯＲＣ関連の動作においてＷＦ／ＮＳＩＬ混合物に付与される運動エネルギーによって、混合物の自然の分離傾向を覆すように作用する「混合（ｍｉｘｉｎｇ）」動作が提供される。いくつかの実施形態においては、この付随的な撹拌によって、潤滑平衡を達成しかつ維持するためのシステムの要件が十分に満たされる。いくつかの実施形態においては、この付随的な撹拌が、潤滑平衡を達成しかつ維持するためのシステムの要件を満たさないので、適正な運転のために付加的な撹拌が必要である。このような撹拌は受動的な技術によって備えることができる。この受動的な技術として、例えば、受け入れタンクに流れの入口および出口を設けて、重力が、ＮＳＩＬをＷＦ／ＮＳＩＬ混合物内部に分散させるようにＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の流れに作用することを可能にする方式、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が流れる導管および／または容器内において固定翼を使用する方式、および、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物に作用するシステムポンプの原動力によって駆動される回転装置を使用する方式、などが含まれるがこれに限定されない。所要のシステム点においてコロイド状のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物内部におけるＮＳＩＬの適切な分散を維持するために、能動的な撹拌手段を用いることも可能である。この能動的撹拌手段として、攪拌機、循環器、循環ポンプ、混合機、注入ジェット、および他の機械的または電気機械的装置または方法が含まれるがこれに限定されない。
【００４０】
作動流体と、非溶解性・非混和性の潤滑剤との混合物を用いることによって、公知の技術では十分に役立たない問題が解決される。これによって、付加的な構成要素と、その付帯的な運転および維持の必要性とを包含する専用の潤滑システムを必要とすることなく、連続運転用として設計される機械を含めて、広範囲の容積型流体機械に対する典型的な潤滑が提供される。
【００４１】
すべての公知の先行技術が特に教示するところは、同様に別個のオイル回収および循環システムを含まない容積型流体機械における非溶解性・非混和性の潤滑剤の使用から離れている。本明細書に開示するシステムおよび方法は、いかなる点においても、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物からＮＳＩＬを分離する必要性を要求することはなく、かつ、その分離から益するところもない。潤滑剤および混合物の作動流体の成分は、一旦混合されると、常時共存し、先行技術のオイル回収システムに関して教示されるように意図的に分離されることは全くない。混合物の構成成分は、その物理的組成のために自己分離に向かう傾向を有するが、システムは、通常、両成分を十分な潤滑剤の分散状態に混合かつ撹拌した状態で運転するように設計される。以前の技術は、ＮＳＩＬ潤滑スキームに関わるいくつかの顕著な問題を克服できなかったが、この問題として、システム性能の受け入れ難い低下をもたらすようなシステム内の望ましくない点における潤滑剤の蓄積が含まれる。本明細書において教示する装置、システムおよび方法は、オイル回収システムなしに、あるいは、先に経験したシステム効率の低下なしに、所要の潤滑を提供するという問題を実現し得ることが実験的にかつ運転的に実証されている。
【００４２】
以下、添付の図面を参照して、好ましい実施形態を含む本開示の特定の態様を説明するが、以下の説明は、本発明を図示される特徴および実施形態に制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】熱エネルギーを電力に変換するのに用いられる先行技術のＯＲＣシステムのブロック図である。
【図２】システムポンプの出口から容積式機械への潤滑供給システムを表現した本発明に関わるＯＲＣシステムのブロック図である。
【図３】起動後の時間の関数としてのシステムポンプの出口に存在する非溶解性・非混和性の潤滑剤の濃度を表すグラフである。
【図４】作動流体と、非溶解性・非混和性の潤滑剤との混合物の成層分離を表すＯＲＣシステムの受け入れタンクの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図２は、本発明において使用するのに適したＯＲＣシステムの構成を表す。この場合、潤滑ライン１０８が、システムポンプ１０５の出口と容積式機械１０２の１つ以上の潤滑必要個所との間に操作接続されている。いくつかの実施形態においては、この潤滑必要個所は、１つ以上のボール軸受、ローラ軸受、スリーブまたは他の形態の軸受が収納される軸受ハウジングである。システムポンプ１０５から送出される正圧状態のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の流れは、マイクロプロセッサ指令の可変周波数駆動（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｄｒｉｖｅ：ＶＦＤ）システムによって制御することができるが、このＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の流れによって、軸受および／または他の潤滑点に対する潤滑混合物の流れが供給される。混合物は、システム内の任意の好都合な点または所要の点から抽出することができるが、システムポンプ１０５の出口が、いくつかの理由から特に有利な抽出点である。システムポンプ１０５が、図示される特定システムにおけるＷＦ／ＮＳＩＬ混合物に対する唯一のこのような動圧力源であるので、システムポンプ１０５の出口が、ＯＲＣシステムにおける任意のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の位置の最大正圧点である。システムポンプ１０５が発生する正圧の僅かな一部分を、潤滑目的用としてＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の流れを供給するのに用いると、圧力導入のための付加的な構成要素は一切必要でない。
【００４５】
システムポンプ１０５の出口において潤滑目的用のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を得る別の有力な利点は、この点が、ＯＲＣシステムのどの個所よりも低い最低のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の温度をも呈する点である。この点におけるＷＦ／ＮＳＩＬ混合物は、完全に凝縮されており、軸受または機械の他の潤滑点に供給された場合、最大の熱消失をもたらすであろう。いくつかの実施形態においては、より高温の混合物の使用も可能であり、場合によってはそれが望ましい場合もあるが、より温度が低い潤滑源が多くの場合好ましい。
【００４６】
潤滑用として使用される好ましいＷＦ／ＮＳＩＬ混合物源とは関係なく、所要の流量を達成するように、流量を、１つ以上の弁または他の流れ制御装置によって制御することができる。これは、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物をシステムポンプ１０５の出口において得る場合に特に有用である。それは、ＶＦＤ制御ポンプの速度は、ＯＲＣシステムのより大きな運転要件によって決定され、潤滑上の条件を受け入れるように変化させ得ないからである。潤滑供給用として十分な圧力を提供するために専用の補足潤滑ポンプを使用する場合は、適切な弁または他の流れ制御装置の代わりに、あるいはそれと組み合わせて、前記専用の補足ポンプの運転を制御することによって、軸受または他の潤滑点へのＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の流れを、全体としてまたは部分的に制御することができる。
【００４７】
選択された作動流体と混合するべき潤滑剤の選択が決定的に重要である。本開示が適用される多くの用途において使用するのに適した多様な作動流体が存在する。本発明のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の本質的な特徴は、作動流体および非溶解性・非混和性の潤滑剤が、均質かつ一様な溶液ではなくコロイド状の混合物を形成する点である。制限用ではなく説明用として、好ましいＯＲＣシステムを用いるいくつかの例を挙げてみる。同じ原理が、他の適用例の特定の要件に対して的確に調整されれば、他の適用例に対しても当てはまる。いくつかのＯＲＣシステムは、作動流体として、入熱によって蒸気に気化する水を利用する。このシステムの場合は、広範囲のオイルおよび水に溶解しない他の潤滑剤を適切に使用し得る。可能なものとして石油ベースの潤滑剤が含まれる。多くのＯＲＣシステムは、作動流体として、水の代わりに、有機冷媒を含むがそれに限定されない冷媒を利用する。冷媒の複雑な化学的構成は、従来の冷媒の環境に対する潜在的影響に関わる関心から、大規模な開発が活発に推進される一分野である。別の非制限的な例として、前記の冷媒（Ｒ−２４５ｆａ）は、ヒドロフルオロカーボン（ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ：ＨＦＣ）化合物として分類され、Ｒ−１２のような初期世代のクロロフルオロカーボン（ｃｈｌｏｒｏｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ：ＣＦＣ）並びにＲ−２２のような後期世代のヒドロクロロフルオロカーボン（ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｏｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ：ＨＣＦＣ）冷媒の塩素成分を含んでいない。後二者（ＣＦＣおよびＨＣＦＣ）は、現在では環境上好ましくないと考えられており、取り上げられない。塩素化冷媒中に溶解可能または混和可能な特定の潤滑剤は、その組成が異なるために、Ｒ−２４５ｆａのようなＨＦＣを含むがそれに限定されない非塩素化冷媒中には同様に溶解可能または混和可能ではない。
【００４８】
本発明の本質的な要素はＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の非溶解性・非混和性の性質である。流体および潤滑剤をこの要件と無関係に特定することは十分でない。両成分の組成が異なるために、それぞれを、もう一方の特性を十全に考慮して入念に選択しなければならない。前述の実施形態においては、本開示と整合する所要の非溶解性・非混和性のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を生成するものとして実験的にかつ運転上実証されたこのような組み合わせの１つは、冷媒Ｒ−２４５ｆａと、鉱油またはそれと密接に関連するアルキルベンゼン油のような合成代替品とである。この例は、好ましい一実施形態を例示するものであって、本発明の範囲に制限を加えるものでは決してない。本開示と整合する広範囲の適用例のための適切なコロイド状混合物を構成するために、流体（冷媒および非冷媒）および潤滑剤の他の多数の組み合わせを用いることができると信じられている。
【００４９】
ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物は本質的にコロイドであるので、それは、定義によって、顕微鏡レベルおよびその上のある特定のサンプル範囲において非一様である。均質な混合物中の成分を、精巧なプロセス処理なしには分離し難いまたは分離不可能でさえあるような溶解可能または混和可能な組成物の場合と違って、コロイド状のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物は自己分離の傾向を有する。極端に撹拌しても、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を目視検査すると、（連続相としての）作動流体全域に分布する（不連続相としての）ＮＳＩＬ液滴の存在が確認される。ＮＳＩＬ液滴は、常に相互に結合しようとして、より大きな液滴を形成し、このより大きな液滴は、重力のために下部層に沈降するより高比重の作動流体によってその混合物の中に排除された時に、休止中のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の任意の蓄積体の上層に集合する。
【００５０】
コロイド状のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の組成のいかなる評価に関しても、コロイド状のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の比率的組成の決定には、当面の目的に対して妥当なサイズのサンプルが必要であることが理解されるべきである。制限ではなく一例として、当面の作業が分離した層の境界をできるだけ正確に決定することである場合には、５ｍＬ以下のサンプルサイズが、本質的に層に分離した休止中のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を特性化する目的に最適であり得る。完全に分離した状態より僅かに多く撹拌されたコロイド状のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の全体的な組成を評価する場合は、特定の１個所で採取された５ｍＬのサンプルは、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の一様性が欠落しているので、誤謬をもたらす可能性が高い。その代わりとして、１００〜５００ｍＬまたはそれより大きいサンプルを推奨することができる。高度に撹拌され良好に分散したコロイド状のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を含む状況においては、比率的組成を正確に決定するのに、１０〜５０ｍＬのサンプルサイズで十分であろう。ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の比率的組成に関する本明細書のすべての議論は、このような組成がＷＦ／ＮＳＩＬ混合物内部におけるＮＳＩＬの分散状態に対して適切なサンプルサイズに基づくという点を基礎としている。このような状態は、以下に述べるようにシステム全体を通して非常に大きく変化するからである。
【００５１】
ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物中のＮＳＩＬの相対的濃度の時間による変化は、多くの材料特性と、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が閉ループにおいてその内部を循環するシステムとに応じて変化することが理解されるべきである。ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物中のＮＳＩＬの時間変化する濃度に影響を及ぼす因子としては、以下の各項が含まれるがそれに限定されない。すなわち、ａ）休止中のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の時間による分離傾向、ｂ）ＯＲＣシステムの最後の停止および／または起動時のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の状態からの経過時間、ｃ）システムの物理的な運転定数、例えば、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の質量流量、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の任意の受け入れ装置または貯蔵タンクの容量、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の任意点における温度および圧力など、４）ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物がその最適な潤滑平衡状態に達するのに必要な時間に影響する任意の機械的撹拌または他の撹拌の有無、５）ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が分離する位置および／または他の因子における全くのランダムさ、および、６）最適のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物に達するプロセスを促進するまたは遅滞させる可能性がある任意の他の因子、である。混合物が休止して撹拌を受けない場合の不安定なコロイド状ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物自体の自然の分離傾向（前述の因子ａ）として列挙）は、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の作動流体成分と非溶解性・非混和性の潤滑剤成分との特性的性質であり、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が用いられるシステムとはほとんど無関係である。
【００５２】
ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物中のＮＳＩＬの分散程度は、システムの特定の点においてのみ関心の対象になる。このような点の１つは、所要の潤滑点における注入用として混合物の一部分が抽出されるシステム内の位置である。直接注入潤滑用として得られる混合物は、所要量のＮＳＩＬ潤滑剤を含有していることが重要である。潤滑目的用として潤滑剤をほぼ含まない混合物を抽出すると、特にそれが意図せずに行われると、機械の運転が危険に曝されるであろう。いくつかの実施形態においては、前記のように、システムポンプの出口においてＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の一部分を抽出することが望ましい。システム内のこの点においては、混合物がポンプのインペラによって撹拌されたばかりであるので、混合物が相対的に均質で良好に分散されており、システムポンプへの流入流れが適切な潤滑剤の濃度を含有していれば、潤滑目的用として抽出される部分も、同様に、システムポンプの流出流れ内に均等に分散された適切な濃度のＮＳＩＬを含むであろう。別の実施形態においては、潤滑注入用として抽出される混合物を、混合物がある長さの時間相対的に撹拌されずに休止している貯槽または受け入れ装置から取り出すことができる。コロイド状混合物の自己分離特性のため、貯槽または受け入れタンク内部の抽出点の位置によって、抽出される混合物の潤滑剤の濃度がほぼ決定されるであろう。本明細書の他の個所に記述するように、分離した混合物の上層から流体を抽出すると、サンプルをタンクの底部近傍で抽出する場合に比べてはるかに高い潤滑剤濃度が得られるであろう。システムにおける特定の点においては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の相対的な潤滑剤濃度はシステムの運転にとって決定的に重要ではない。しかし、システムの閉ループ循環特性のため、作動流体および潤滑剤の相対的比率は、混合物に対して類似の撹拌程度が維持されていれば、抽出点と出口の点との間において得られるサンプルサイズが類似かつ適切である場合、一般的に全体において一定であろう。
【００５３】
図３においては、ＯＲＣシステム起動後の時間の関数としてのＮＳＩＬ濃度の変化に関する経験的な試験データを示す。この測定シリーズにおいては、ＯＲＣシステムの閉ループに含まれる合計のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物は、５．８質量％ＮＳＩＬであった（線３０１で示す）。各試験について、十分な量のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物のサンプルを、図２に示すのと同様のＯＲＣシステムの形態のシステムポンプ１０５の出口において採取した。機械を始動させ、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の比率的組成を、起動時と、最初の３０分の運転時間１０分ごとにと、運転開始後６０分とにおいて測定した。データの収集に続いてＯＲＣシステムを停止し、閉ループシステム内のＷＦ／ＮＳＩＬ混合物を、それが自然の静的状態に達したと見られるまで作動または撹拌することなく休止させた。
【００５４】
曲線３０２は、起動時において観察されたＮＳＩＬ濃度が最大であった繰り返し試験に関わるデータを表し、曲線３０４は、起動時において観察されたＮＳＩＬ濃度が最低であった繰り返し試験に関する同じデータを表し、曲線３０３は、実施されたすべての繰り返し試験に関する平均のデータを表す。起動時の値はほとんど３：１の範囲にわたって幅広く変動することが見て取れる。この変動は、ＯＲＣシステムが停止されるとＷＦ／ＮＳＩＬ混合物が容易に分離するという事実に起因するものであり、このデータから、閉ループ回路内部におけるＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の分離が、ある程度のランダムさを有し、従って繰り返し性の強いまたは予測可能な現象ではないという洞察が得られる。
【００５５】
データから引き出し得る特に価値ある結論は、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物中の起動時のＮＳＩＬ濃度に関係なく、測定されたＷＦ／ＮＳＩＬ混合物中のＮＳＩＬ濃度が、高い繰り返し性のある約２％の値に収束するように見えるという点である。また、この値と、この特定のシステムの試運転時に搭載された入念に測定された既知の量に基づく５．８％の全体的なＮＳＩＬ濃度との間の差異を観察することも重要である。さらにまた、システムの作動部分の内部に流れる潤滑剤の２％という濃度は、先行技術においてＳｍｉｔｈが教示する５％より遥かに低いことに注目することも重要である。
【００５６】
システムポンプ１０５の出口における観察濃度は、システムポンプ１０５の出口と容積式機械１０２の出口との間が閉ループ回路であるために、容積式機械１０２の出口における濃度をも表すが、全体的なＮＳＩＬ濃度と、システムポンプ１０５の出口における観察濃度との間の差異は、いくつかの因子がその原因になっている。第１に、ＮＳＩＬは、ＯＲＣシステム内の金属表面に付着するきわめて強力な親和性を有する。この金属表面としては、容積式機械の表面および軸受、熱交換器１０１の金属の内面およびコンデンササブシステム１０４の金属の内面が含まれるがこれに限定されない。これらのすべては、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物の流れと直接接触しており、この親和性によって、これらの表面にはＮＳＩＬの薄膜が堆積して、これらの表面、軸受および容積式機械の他の潤滑点の組に潤滑を提供する。熱交換器１０１およびコンデンササブシステム１０４の内側の金属表面には特に潤滑は必要でないものの、これらの表面に対するＮＳＩＬの堆積の、その熱的特性および性能に対する影響は無視し得ることが観察された。ＯＲＣシステムの全体的な５．８質量％のＮＳＩＬ濃度において、ＯＲＣシステムの総括的性能は約２％低下しただけであった。この低下は、熱サブシステム内部におけるオイル堆積と、ＯＲＣシステムの適正な運転に必要な冷媒作動流体への非冷媒ＮＳＩＬの添加との影響を含む。このシステム性能の２％の低下は、作動流体と溶解可能または混和可能な潤滑剤との混合物を利用する類似のシステム用の先行技術の報告値より遥かに低いことが注目される。
【００５７】
さらに、ＯＲＣシステムの全体的な５．８重量％のＮＳＩＬ濃度と、潤滑平衡点において観察される２％濃度との間の差異は、部分的には、コンデンササブシステムに関わる受け入れタンク内におけるＮＳＩＬの蓄積に起因する。図４は、潤滑平衡点におけるＯＲＣシステムの運転の間に測定された受け入れタンク４０１内における構成成分の成層分離の典型的な図解を示す。隣接層間の境界は必ずしも明確には確定できないが、各領域は、本発明の本質への価値ある洞察が得られる明確に異なる特性を有する。
【００５８】
層４０２は、少量の懸濁ＮＳＩＬを含有する主として有機冷媒の作動流体を含む僅かにミルク状のコロイド状混合物である。この層は、タンクの底面から約９．５インチの高さに広がっている。層４０３は、約１インチ深さの遷移域であり、外観は同様にミルク状であるが、その上端に向かってサイズおよび個数が増大するＮＳＩＬの液滴をさらに含んでいる。層４０４は、約１．５インチの厚さであり、主として、作動流体の冷媒のランダムな液滴を含むＮＳＩＬから構成される。層４０５は、約０．５インチの高さであり、撹拌された作動流体およびＮＳＩＬから構成される領域である。撹拌のため、上部表面は不規則で変化している。部分気化した作動流体が、層４０５の上表面と、受け入れタンク４０１の上部の内表面との間の残りの容積を占める。
【００５９】
表面、軸受および機械の他の潤滑点に対する観察されたＮＳＩＬの親和性が、作動流体中に溶解可能または混和可能な潤滑剤を使用する現在の方式に対する顕著かつ重要な改善を表している。実験による観察によれば、先行技術における適切な潤滑に必要な軸受温度に十分に達していなくても、システム内の重要点においてＮＳＩＬが遥かに高濃度であることが明らかにされている。さらに、実験によれば、先行技術において教示される溶解可能または混和可能な潤滑剤の代わりにＮＳＩＬを用いることによって、長い使用期間にわたって軸受の摩耗が減少する結果が得られることが明らかになった。ＮＳＩＬの場合には、先行技術が教示するように十分な潤滑を提供するのに作動流体の気化が必要であるという訳ではないので、運転状態における軸受温度は重要ではない。作動流体中に本質的に非溶解性かつ非混和性の潤滑剤を使用することは、この分野における先行する教示からの明確な離脱を意味する。現在の技術は、液相の作動流体中に溶解可能または混和可能な潤滑剤を使用することによって、潤滑剤および作動流体の安定均質な混合物が生成され、それによって、作動流体および潤滑剤の混合物が最も良好に実現されるという仮定に依拠していたと信じられる。しかし、本明細書に教示するようにＮＳＩＬを使用すると、ＷＦ／ＮＳＩＬ混合物は、当然完全には均質であり得ず、その瞬間的組成はコロイド状の形態において本質的に安定しているという事実にも拘らず、優れた性能が得られる。
【００６０】
本発明の記述は、実施可能であることを意図したものであって、制限を意図したものではない。以上に記述した実施形態の多くの組み合わせを一緒に、また別個に実施することが可能であり、これらのすべての組み合わせは、本明細書に有効に記述する実施形態を構成することが当業者には明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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