特許 7398289 レシプロ膨張機及びランキンサイクル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-06

(45)【発行日】2023-12-14

(54)【発明の名称】レシプロ膨張機及びランキンサイクル装置

(51)【国際特許分類】

   F01B 9/06 20060101AFI20231207BHJP

   F01K 27/00 20060101ALI20231207BHJP

【ＦＩ】

F01B9/06

F01K27/00 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020018108

(22)【出願日】2020-02-05

(65)【公開番号】P2021124061

(43)【公開日】2021-08-30

【審査請求日】2023-01-04

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発」に係る委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107641

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 耕一

(74)【代理人】

【識別番号】100163463

【弁理士】

【氏名又は名称】西尾 光彦

(72)【発明者】

【氏名】飯田 登

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 耕

(72)【発明者】

【氏名】引地 巧

【審査官】北村 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－０７０８７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０２７８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実公昭６０－０４２２３４（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】特表２０１４－５０５８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０４１６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１７１９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２３９７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３３７０６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｂ ９／０６

Ｆ０１Ｋ ２７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダと、
前記シリンダの内部を往復動するピストンと、
前記シリンダと前記ピストンとによって形成された作動室と、
前記作動室の内部の圧力が吸入圧力より低いときに前記作動室に連通して前記作動室にオイルを導く給油経路と、を備えた、
レシプロ膨張機。

【請求項2】

前記給油経路は、吐出行程において前記作動室に連通する、請求項１に記載のレシプロ膨張機。

【請求項3】

前記シリンダの内面の一部に接して配置され、前記給油経路に連通する貯留空間をさらに備えた、請求項１又は２に記載のレシプロ膨張機。

【請求項4】

作動流体を前記作動室の内部に導く吸入経路をさらに備え、
前記吸入経路は、吸入行程において前記貯留空間に連通する、請求項３に記載のレシプロ膨張機。

【請求項5】

作動流体を前記作動室の内部に導く吸入経路と、前記吐出行程において前記作動流体を前記作動室の外部に導く吐出経路と、前記給油経路の少なくとも一部とを有するバルブをさらに備えた、請求項１から４のいずれか１項に記載のレシプロ膨張機。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載のレシプロ膨張機を備えた、ランキンサイクル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レシプロ膨張機及びランキンサイクル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、斜板式圧縮機等の流体機械が知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、冷媒ガスを圧縮する回転斜板式圧縮機が記載されている。この圧縮機では、斜板の回転によりピストンがシリンダボアの内部を往復動し、吸入弁及び吐出弁と協働して圧縮作用が生じる。この圧縮機は、潤滑油が混入した冷媒ガスの一部を分流して斜板室の内部に流通させる補助的給油機構を有する。これにより、一時的に潤滑油レベルが低下しても、斜板と、シュー又はボールとの接触部分が潤滑される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】実公昭６０－４２２３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、シリンダとピストンとによって形成された作動室にオイルを供給するのに必要な動力を低減でき、効率及び信頼性の観点から有利なレシプロ膨張機を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示におけるレシプロ膨張機は、
シリンダと、
前記シリンダの内部を往復動するピストンと、
前記シリンダと前記ピストンとによって形成された作動室と、
前記作動室の内部の圧力が吸入圧力より低いときに前記作動室に連通してオイルを導く給油経路と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

上記のレシプロ膨張機は、シリンダとピストンとによって形成された作動室にオイルを供給するのに必要な動力を低減でき、効率及び信頼性の観点から有利である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１におけるレシプロ膨張機の断面図

【図2】図１に示すレシプロ膨張機における機構部を拡大した断面図

【図3】図１のIII-III線に沿った断面図

【図4】図１に示すレシプロ膨張機におけるピストンの斜視図

【図5】図１に示すレシプロ膨張機におけるバルブの斜視図

【図6A】レシプロ膨張機におけるピストンの変位とクランク角との関係を示すグラフ

【図6B】レシプロ膨張機におけるバルブの開閉とクランク角との関係を示すグラフ

【図6C】レシプロ膨張機における連通路の開閉とクランク角との関係を示すグラフ

【図6D】レシプロ膨張機における作動室の圧力とクランク角との関係を示すグラフ

【図7】実施の形態２におけるレシプロ膨張機の断面図

【図8】図７に示すレシプロ膨張機における機構部を拡大した断面図

【図9】図７に示すIX-IX線に沿った断面図

【図10】図７のレシプロ膨張機におけるバルブの斜視図

【図11】実施の形態３におけるランキンサイクル装置の構成図

【発明を実施するための形態】

【0009】

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らが本開示を想到するに至った当時、太陽光などの自然エネルギー又は各種排熱を利用するシステムの一つとして、ランキンサイクルを有する発電システムがあった。このようなランキンサイクルでは、例えば、熱源に接する蒸発器で作動流体が温められ、高温かつ高圧の作動流体によって膨張機を作動させ、膨張機によって生成された動力によって発電がなされる。

【0010】

このような膨張機において、その内部にオイルを貯留し、貯留されたオイルを各摺動部へ供給して潤滑することが考えられる。一方、膨張機の内部の各摺動部へ供給されたオイルが作動流体とともに膨張機の外部のサイクルに流出すると、蒸発器へオイルが流入して蒸発器の内部でオイルが温められ、オイルの劣化が進むことが想定される。この結果、劣化したオイルがサイクルを循環して再び膨張機へ流入することにより、膨張機の内部のオイルも徐々に劣化し、膨張機の信頼性が低下する。このため、高温の熱源を用いたランキンサイクルでは、オイルの劣化を防止するためにサイクルを循環するオイルの量を少なくすることが重要である。

【0011】

容積型の流体機械の一種である斜板式の流体機械は、従来、カーエアコン用の圧縮機として広く用いられてきた。斜板式圧縮機では、斜板が回転する斜板室の内部でオイルを飛散させ、各摺動部の潤滑を行う方法が知られている。斜板式の流体機械において、ピストンはシリンダに対して往復動するので、ピストンとシリンダと間の摺動部にオイルが存在していても、回転運動している摺動部に比べて油圧が発生しにくく油膜が薄くなりやすい。このことは、流体機械の耐久性を確保する観点から不利である。カーエアコン用の斜板式圧縮機においてピストンとシリンダとの間の摺動部にオイルを供給する方法として、下死点近傍でシリンダの外に露出したピストン後端へオイルを付着させる方法が知られている。加えて、カーエアコン用の斜板式圧縮機においてピストンとシリンダとの間の摺動部にオイルを供給する方法として、サイクルから吸入した作動流体に含まれるミスト状のオイルを付着させる方法も知られている。

【0012】

斜板式の流体機械等のピストン及びシリンダを備えたレシプロ式の流体機械をランキンサイクル装置の膨張機として用いることが考えられる。この場合、オイル劣化防止の観点からランキンサイクルを循環するオイルの量を少なくすることが必要であるので、レシプロ膨張機に吸入される作動流体に含まれるオイルによる潤滑の効果は期待できない。ランキンサイクル装置において膨張機へ吸入される作動流体の温度が高いことは、ランキンサイクル装置を備えたシステムの効率を高めるうえで有利である。しかし、レシプロ膨張機へ吸入される作動流体の温度が高いと、この作動流体とともに膨張機に吸入されるオイルの温度も上昇し、オイルの粘度が低下して摺動部の潤滑状態を良好に保つことが難しいと考えられる。また、下死点近傍でシリンダの外に露出したピストン後端へオイルを付着させる方法によれば、ピストン後端へ付着するオイルの量は少なくなりやすい。加えて、この方法によれば、レシプロ膨張機の作動室の圧力はピストンの後端に接する空間の圧力よりも通常高いので、オイルがピストンとシリンダとの間の摺動部へ引き込まれにくい。なお、ランキンサイクル装置は、カーエアコンの運転期間と比べてより長い期間にわたって運転されるので、ランキンサイクル装置のレシプロ膨張機には、高い効率及び高い信頼性が求められる。

【0013】

そこで、オイルポンプ等の手段を用いて強制的にレシプロ膨張機の作動室の内部にオイルを供給することが考えられる。この場合、作動室の内部の圧力が吸入圧力に保たれた期間にオイルポンプで作動室の内部にオイルを供給することは、オイルポンプの動力を大きくし、レシプロ膨張機の効率を低下させる。なぜなら、その期間において、作動室の内部の圧力からオイルポンプの吸入口の圧力を差し引いた圧力差が大きくなりやすく、この圧力差に応じてオイルポンプの動力が調整される必要があるからである。レシプロ式の流体機械をランキンサイクルの膨張機として用いることは、作動室にオイルを供給するのに必要な動力が高くなり効率及び信頼性の観点から不利であるという課題を発明者らは発見した。本発明者らは、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

【0014】

そこで、本開示は、シリンダとピストンとによって形成された作動室にオイルを供給するのに必要な動力を低減でき、効率及び信頼性の観点から有利なレシプロ膨張機を提供する。

【0015】

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細な説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0016】

（実施の形態１）
以下、図１、図２、図３、図４、図５、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、及び図６Ｄを用いて、実施の形態１を説明する。

【0017】

［１－１．構成］
図１、図２、及び図３に示す通り、レシプロ膨張機１ａは、シリンダ２４と、ピストン２５と、作動室２６と、給油経路７０とを備えている。ピストン２５は、シリンダ２４の内部を往復動する。作動室２６は、シリンダ２４とピストン２５とによって形成されている。給油経路７０は、作動室２６の内部の圧力が吸入圧力より低いときに作動室２６に連通してオイルを作動室２６に導く。本明細書において「吸入圧力」は、典型的には、吸入行程における作動室２６の内部の圧力の最大値を意味する。

【0018】

給油経路７０は、例えば、吐出行程において作動室２６に連通する。一方、給油経路７０は、吸入行程及び膨張行程において作動室２６に連通していない。

【0019】

図１に示す通り、レシプロ膨張機１ａは、例えば、シャフト１０、機構部２０、発電機３０、及び密閉容器５０を備えている。シャフト１０、機構部２０、及び発電機３０は、密閉容器５０の内部に配置されている。機構部２０は、シリンダ２４、ピストン２５、作動室２６、及び給油経路７０の少なくとも一部を含んでいる。加えて、機構部２０の内部には、吸入室５３及び吐出室５４が形成されている。密閉容器５０の内部には、下部空間５６が形成されている。発電機３０は、例えば、下部空間５６に配置されている。

【0020】

レシプロ膨張機１ａは、例えば、ランキンサイクルに用いられる。このため、密閉容器５０の内部の所定の空間には、例えば、ランキンサイクルで使用可能な作動流体が封入されている。ランキンサイクルで使用可能な作動流体は、例えば、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）系の作動流体、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系の作動流体、又はイソペンタン等の炭化水素系の作動流体である。

【0021】

図１に示す通り、密閉容器５０には、例えば、吸入管５１及び吐出管５２が取り付けられている。吸入管５１は吸入室５３に接続されている。吐出管５２は下部空間５６に接続されている。換言すると、吸入管５１の一端は吸入室５３に接し、吐出管５２の一端は下部空間５６に接している。

【0022】

発電機３０は、例えば、固定子３１と、回転子３２とを備えている。固定子３１は、例えば、鉄心と、その鉄心に巻かれた銅線とを備えている。回転子３２には、例えば、永久磁石が内蔵されている。固定子３１は、例えば、密閉容器５０の内面に固定されている。一方、回転子３２は、固定子３１の内面に面して配置されており、シャフト１０に取り付けられている。

【0023】

機構部２０は、例えば、下ブロック２１及びシリンダブロック２２を備えている。下ブロック２１は、例えば板状の部品であり、下ブロック２１の周縁は、溶接等の方法によって密閉容器５０の内面に接合されている。これにより、機構部２０が密閉容器５０に固定されている。下ブロック２１は、例えば、下軸受２１ｂを有する。下ブロック２１の中央部分は、例えば、円筒状に形成されている。下軸受２１ｂは、下ブロック２１の中央部分に形成された孔をなす面によって構成されている。下ブロック２１は、例えば、連通穴２１ａを有する。連通穴２１ａは、下ブロック２１の上方の空間と下ブロック２１の下方の下部空間５６とを連通させている。

【0024】

シリンダブロック２２は、下ブロック２１の上面に固定されている。これにより、シリンダブロック２２の下端に形成された開口が下ブロック２１によって塞がれ、シリンダブロック２２と下ブロック２１とによって囲まれた空間によって吐出室５４が形成されている。シリンダブロック２２は、例えば、上軸受２２ａを有する。上軸受２２ａは、例えば、シリンダブロック２２の中央部分に形成された孔をなす面によって構成されている。その孔は、シリンダブロック２２の中央における円筒状の部分によって形成されている。

【0025】

図２に示す通り、シリンダブロック２２には、例えば、ハウジング２２ｂが形成されている。ハウジング２２ｂは、円環状の空間であり、ハウジング２２ｂの軸線は、上軸受２２ａの軸線上に位置する。図２に示す通り、シリンダブロック２２は、例えば、吐出通路２２ｄを有する。吐出通路２２ｄは、上軸受２２ａの周囲に形成されており、ハウジング２２ｂと吐出空間５４とを連通させている。

【0026】

図２及び３に示す通り、シリンダ２４は、シリンダブロック２２の上軸受２２ａの周囲に形成されている。シリンダブロック２２には、例えば、６つのシリンダ２４が形成されており、これらのシリンダ２４は、上軸受２２ａの周囲においてシャフト１０の軸線周りに等間隔で配置されている。各シリンダ２４は、円柱状の孔をなしている。シリンダブロック２２の各シリンダ２４とハウジング２２ｂとの間には、吸入吐出口２２ｃが形成されている。吸入吐出口２２ｃは、シリンダブロック２２の各シリンダ２４とハウジング２２ｂとの間に形成された開口である。

【0027】

機構部２０は、例えば、６つのシリンダ２４に対応して６つのピストン２５を備えている。図４に示す通り、各ピストン２５は、例えば、円筒部２５ａと、保持部２５ｂとを備えている。各ピストン２５は、例えば、円筒部２５ａが往復動可能な状態でシリンダ２４に挿入されている。

【0028】

機構部２０は、例えば、斜板２８及びホルダ２８ａをさらに備えている。斜板２８は、円盤状の部品であり、ホルダ２８ａによってシャフト１０に固定されている。斜板２８は、シャフト１０の周囲において環状の平面部を有し、その平面部の法線はシャフト１０の軸線に対して傾斜している。加えて、斜板２８のその平面部は、シャフト１０の軸線に垂直な平面に対しても傾斜している。

【0029】

シャフト１０は、上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂとの間に小さなクリアランスを形成した状態で回転可能に上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂに挿入されている。これにより、シャフト１０が半径方向に支持される。一方、機構部２０は、例えば、スラスト軸受２７をさらに備えている。スラスト軸受２７は、例えば、玉軸受である。スラスト軸受２７は、シャフト１０の軸線方向において、ホルダ２８ａと下ブロック２１との間に配置されている。スラスト軸受２７は、例えば、転動体として鋼球を備えている。

【0030】

図２に示す通り、機構部２０は、例えばヘッド２３をさらに備えている。ヘッド２３は、例えば、環状かつ板状の部品である。ヘッド２３は、シリンダブロック２２の上端に取り付けられている。

【0031】

上記の通り、各シリンダ２４にはピストン２５の円筒部２５ａが挿入されている。機構部２０において、作動室２６は、例えば、シリンダ２４、ピストン２５、及びヘッド２３によって囲まれた空間として形成されている。

【0032】

機構部２０は、例えば、シュー２８ｂをさらに備えている。シュー２８ｂは、上シュー２８ｍ及び下シュー２８ｎを含む。シュー２８ｂは、斜板２８の周縁部に取り付けられている。各ピストン２５は、シュー２８ｂによって斜板２８に連結されている。斜板２８は、シャフト１０とともに回転する。斜板２８の回転位置により、各シリンダ２４の内部における各ピストン２５の位置が定まる。加えて、斜板２８の傾斜角度により、各ピストン２５のストロークが定まる。６つのピストン２５は、シャフト１０の軸線周りに等間隔で配置されているので、これらのピストン２５は、シャフト１０の回転に伴い、所定の位相差で互いに連動して往復動する。

【0033】

図５に示す通り、機構部２０は、例えば、バルブ６０をさらに備えている。バルブ６０は、吸入経路６１と、吐出経路６２と、給油経路７０の少なくとも一部とを有する。吸入経路６１は、作動流体を作動室２６の内部に導く経路である。吐出経路６２は、吐出行程において作動流体を作動室２６の外部に導く経路である。バルブ６０は、例えば、給油経路７０の一部をなす連通路７１を有する。

【0034】

バルブ６０は、例えばロータリバルブであり、バルブ６０の回転により吸入行程、膨張行程、及び吐出行程がこの順番で繰り返される。吸入行程において吸入経路６１と作動室２６とが連通する。吐出行程において吐出経路６２と作動室２６とが連通する。膨張行程では、作動室２６はバルブ６０によって閉じられている。バルブ６０は、例えば、シャフト１０の回転及びピストン２５の往復動と同期して回転する。バルブ６０の回転軸は、例えば、シャフト１０の回転軸と平行である。バルブ６０の回転軸は、例えば、シャフト１０の回転軸と一致している。

【0035】

バルブ６０は、例えば、バルブ６０の回転軸がシャフト１０の回転軸と一致するようにシャフト１０に取り付けられている。シャフト１０には、例えば、給油経路７０の一部が形成されている。

【0036】

図５に示す通り、バルブ６０は、例えば円筒状である。吸入経路６１は、例えば、バルブ６０の上面とバルブ６０の軸線方向に延びる外周面とに跨る凹部として形成されている。吐出経路６２は、例えば、バルブ６０の下面とバルブ６０の軸線方向に延びる外周面とに跨る凹部として形成されている。連通路７１は、例えば、バルブ６０の中央に形成された孔からバルブ６０の軸線方向に延びる外周面まで延びている。

【0037】

バルブ６０は、例えば、シャフト１０の上端部に取り付けられており、ハウジング２２ｂに回転可能な状態で収納されている。機構部２０は、例えば、カバー２９をさらに備えている。カバー２９によって、ハウジング２２ｂが覆われている。吸入管５１は、例えば、カバー２９に取り付けられている。吸入室５３は、例えば、ハウジング２２ｂ、カバー２９、及びバルブ６０によって囲まれた空間として形成されている。

【0038】

シャフト１０の回転に伴いバルブ６０と各シリンダ２４との位置関係が変化することにより、吸入経路６１及び吐出経路６２と吸入吐出孔２２ｃとが連通して、バルブ６０が開閉する。これにより、シャフト１０の回転に伴い、バルブ６０によって、吸入室５３から作動室２６に至る吸入通路と、作動室２６から吐出室５４に至る吐出通路とが所定のタイミングで開閉する。

【0039】

図３に示す通り、レシプロ膨張機１ａは、例えば、貯留空間４０をさらに備えている。貯留空間４０は、シリンダ２４の内面の一部に接して配置されており、給油経路７０に連通する。貯留空間４０は、例えば、作動室２６の内部の圧力が吸入圧力より低いときに給油経路７０に連通する。貯留空間４０は、例えば、吐出行程において給油経路７０に連通する。

【0040】

吸入経路６１は、例えば、吸入行程において貯留空間４０に連通する。

【0041】

図１に示す通り、密閉容器５０の内部の下部空間５６の底部にはオイルが貯留され、オイル溜まり４０が形成されている。レシプロ膨張機１ａは、例えば、オイルポンプ７３及び吸込管７４をさらに備えている。図２に示す通り、シャフト１０は、縦穴７２ａ及び横穴７２ｂを有する。縦穴７２ａは、シャフト１０の軸線に沿って延びている。横穴７２ｂは、縦穴７２の所定の位置からシャフト１０の半径方向外側に延び、シャフト１０の外周面に開口している。横穴７２ｂは、連通路７１に連なっている。連通路７１は、例えば、吐出経路６２において開口している。

【0042】

オイルポンプ７３は、例えば、ギヤポンプ等の容積型のポンプである。オイルポンプ７３は、例えば、シャフト１０の下端に取り付けられており、シャフト１０の回転により駆動される。吸込管７４の内部はオイルポンプ７３の吸入部に連通しており、吸込管７４の下端は、オイル溜まり４０に浸漬している。縦穴７２ａは、例えば、オイルポンプ７３の吐出部に連通している。

【0043】

給油経路７０は、例えば、オイル溜まり４０から、吸込管７４、オイルポンプ７３、縦穴７２ａ、横穴７２ｂ、連通路７１、吐出経路６２、及び吸入吐出孔２２ｃを経由して、作動室２６に至る経路として形成されている。

【0044】

［１－２．動作］
以上のように構成されたレシプロ膨張機１ａについて、その動作を、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、及び図６Ｄを参照しつつ説明する。図６Ａは、シャフト１０が１回転する期間における特定のピストン２５の変位を示す。図６Ｂは、その期間における特定のピストン２５に接する作動室２６に対するバルブ６０の開閉時期を示す。図６Ｃは、その期間における作動室２６に対する連通路７１の開閉時期を示す。図６Ｃにおいて、連通路７１がその作動室２６に連通している状態が「開」に対応している。図６Ｄは、その期間におけるその作動室２６の圧力を示す。他のピストン２５と、他のピストン２５に対応した作動室２６との組み合わせにおいても、特定のピストン２５と比較してクランク角に関する位相差は存在するものの同様の挙動が示される。

【0045】

吸入管５１及び吐出管５２は、例えば、レシプロ膨張機１ａの外部の作動流体の経路に接続されている。これにより、吸入室５３は高圧に保たれ、吐出室５４及び下部空間５６は低圧に保たれている。吸入管５１を通って、吸入室５３には高温高圧の作動流体が流入する。図２に示すバルブ６０の状態では、より大きな体積を有する作動室２６は、吸入行程にあり、吸入経路６１と連通している。吸入行程における作動室２６の圧力は高い。一方、その作動室２６に接したピストン２５の下方の吐出室５４の圧力は低いので、この圧力差により、そのピストン２５には下向きの力が働く。一方、より小さい体積を有する作動室２６は、吐出行程にあり、吐出経路６２及び吐出通路２２ｄによって吐出室５４に連通している。その結果、その作動室２６の圧力はピストン２５の下方の吐出室５４と同様に低く、その作動室２６に接するピストン２５には作動流体の圧力差に伴う力は発生しない。

【0046】

このように、図２においてより大きな体積を有する作動室２６に接したピストン２５には下向きの力が働き、そのピストン２５が下降してシャフト１０が回転駆動される。シャフト１０の回転に伴いピストン２５が下降し、そのピストン２５に接する作動室２６の体積は大きくなる。これにより、吸入室５３から吸入経路６１を通過してその作動室２６に高温高圧の作動流体が流入する。シャフト１０がさらに回転すると、バルブ６０が閉じて、その作動室２６への作動流体の流入は止まる。一方、その作動室２６の体積はさらに大きくなり、作動室２６の内部の作動流体が膨張する。この膨張行程において、作動流体の膨張に伴い作動室２６の圧力が低下する。膨張行程において、作動室２６の内部の圧力は低下しても、その圧力は、ピストン２５の下方の吐出室５４の圧力よりは高い。このため、膨張行程における作動室２６に接したピストン２５には下向きの力が働く。

【0047】

一方、図２において、吐出行程にある作動室２６に接したピストン２５は、シャフト１０の回転に伴い上昇する。これにより、作動室２６の体積が減少するので、作動室２６から吐出経路６２及び吐出通路２２ｄを通って吐出室５４へ低温低圧の作動流体が流出する。さらに、吐出室５４の作動流体は、連通穴２１ａ、下部空間５６、及び吐出管５２の内部を通って、レシプロ膨張機１ａの外部へ流出する。

【0048】

図１に示す通り、ピストン２５の往復動の方向は、例えば、シャフト１０の長手方向に平行である。

【0049】

６つの作動室２６において、所定の位相差が保たれた状態で、作動流体の吸入、作動流体の膨張、及び作動流体の吐出が行われ、各作動室２６の圧力が変化する。その結果、ピストン２５によってシャフト１０が連続して駆動され動力を得ることができる。レシプロ膨張機１ａは６つの作動室２６を備えているので、作動流体を連続して吸入することが可能であり、安定的にレシプロ膨張機１ａを駆動できる。

【0050】

シャフト１０とともに回転子３２が回転することにより、発電機３０において発電が行われ、電力を得ることができる。レシプロ膨張機１ａは６つの作動室２６を備えているので、レシプロ膨張機１ａで発生するトルクの変動が小さく、出力電力が安定しやすい。

【0051】

このように、レシプロ膨張機１ａにおいて、吐出管５１を通って吸入された高温高圧の作動流体は、作動室２６で膨張し、低温低圧の状態で吐出室５４及び下部空間５６を通ってレシプロ膨張機１ａの外部に流出する。

【0052】

シャフト１０の回転に伴い、オイルポンプ７３が作動し、オイル溜まり４０に貯留されたオイルは、吸込管７４から吸い込まれ、シャフト１０の縦穴７２ａに吐出される。その後、縦穴７２ａを上昇したオイルは、横穴７２ｂ、連通路７１、及び吐出経路６２を通る。図６Ｄに示す通り、吐出経路６２が吸入吐出孔２２ｃに連なるクランク角度が吐出行程に対応しており、吐出経路６２に導かれたオイルが吸入吐出孔２２ｃを通って作動室２６に供給される。このとき、作動室２６の内部の圧力は吸入圧力より低いので、オイルを作動室２６に供給するために必要なオイルポンプ７３の動力が小さい。加えて、オイル溜まり４０のオイルが作動室２６に直接供給されるので、シリンダ２４とピストン２５との間の潤滑状態が良好な状態になりやすい。

【0053】

シリンダ２４とピストン２５との間の摺動部に供給されたオイルの一部は、ピストン２５の下方の吐出室５４へ排出される。また、ピストン２５の上端に付着したオイルの一部は、吐出行程の際に作動流体とともに作動室２６から吐出室５４へ排出される。吐出室５４に存在するオイルは、連通穴２１ａから下部空間５６へ導かれる。そして、下部空間５６では、作動流体の流速が低下しているので、オイルは、重力による落下又は壁面への付着等により、作動流体から分離され、重力により下方に集まる。このようにして、オイルは下部空間５６の底部のオイル溜まり４０に再び貯留される。

【0054】

下部空間５６の作動流体の温度は、作動室２６に吸入される作動流体の温度よりも低い。上記の通り、オイル溜まり４０は、例えば、下部空間５６の底部に形成されており、オイル溜まり４０に貯留されたオイルは、例えば、作動室２６に吸入される作動流体が有する温度よりも低い温度を有する。このように、オイル溜まり４０に貯留されたオイルの温度は低いので、給油経路７０を通って低温のオイルが作動室２６に供給され、シリンダ２４とピストン２５との間の摺動部におけるオイルの粘度の低下が抑制される。その結果、シリンダ２４とピストン２５との間の潤滑状態が良好な状態になりやすい。

【0055】

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、レシプロ膨張機１ａは、シリンダ２４と、ピストン２５と、作動室２６と、給油経路７０とを備えている。ピストン２５は、シリンダ２４の内部を往復動する。作動室２６は、シリンダ２４とピストン２５とによって形成されている。給油経路７０は、作動室２６の内部の圧力が吸入圧力より低いときに作動室２６に連通して作動室２６にオイルを導く。

【0056】

これにより、作動室２６の内部の圧力が吸入圧力より低いときに給油経路７０が作動室２６に連通するので、作動室２６にオイルを供給するために必要な動力を小さくできる。加えて、給油経路７０によれば、作動室２６にオイルを供給することによってシリンダ２４とピストン２５との間の摺動部にオイルを直接供給できる。このため、シリンダ２４とピストン２５との間の摺動部の潤滑状態を良好な状態に保つことができる。その結果、ピストン２５及びシリンダ２４の摩耗を抑制でき、レシプロ膨張機１ａが高い効率及び高い信頼性を発揮できる。

【0057】

本実施形態のように、給油経路７０は、吐出行程において作動室２６に連通してもよい。

【0058】

これにより、作動室２６の内部の圧力が最も低くなりやすい吐出行程において給油経路７０が作動室２６に連通するので、作動室２６にオイルを供給するために必要な動力をより小さくできる。その結果、レシプロ膨張機１ａがより確実に高い効率及び高い信頼性を発揮できる。

【0059】

本実施形態のように、レシプロ膨張機１ａは、貯留空間４０をさらに備えていてもよい。貯留空間４０は、シリンダ２４の内面の一部に接して配置され、給油経路７０に連通している。

【0060】

これにより、貯留空間４０にオイルを貯留できる。加えて、貯留空間４０に貯留されたオイルを作動室２６に供給することによってシリンダ２４とピストン２５との間の摺動部にオイルを直接供給できる。貯留空間４０は、例えば、ピストン２５の位置に関わらず閉塞されない。これにより、作動室２６にオイルを供給するために必要な動力をより小さくできる。また、シリンダ２４及びピストン２５の摩耗をより確実に抑制できる。その結果、レシプロ膨張機１ａは、より高い効率及びより高い信頼性を発揮できる。

【0061】

本実施形態のように、レシプロ膨張機１ａは、吸入経路６１をさらに備えていてもよい。吸入経路６１は、作動流体を作動室２６の内部に導く経路である。加えて、吸入経路６１は、吸入行程において貯留空間４０に連通していてもよい。

【0062】

これにより、吸入経路６１を通過する作動流体とともに貯留空間４０に貯留されたオイルを作動室２６に供給できる。このため、作動室２６に均一にオイルを供給でき、シリンダ２４及びピストン２５の摩耗をより確実に抑制できる。その結果、レシプロ膨張機１ａが高い信頼性を発揮できる。

【0063】

本実施形態のように、レシプロ膨張機１ａは、例えば、円筒状のバルブ６０をさらに備えていてもよい。加えて、バルブ６０は、吸入経路６１と、吐出経路６２と、給油経路７０の少なくとも一部とを有していてもよい。吸入経路６１は、作動流体を作動室２６の内部に導く経路である。吐出経路６２は、吐出行程において作動流体を作動室２６の外部に導く経路である。

【0064】

これにより、吸入経路６１、吐出経路６２、及び給油経路７０の少なくとも一部を円筒状のバルブ６０という１つの部品に形成できる。このため、作動流体の吸入の時期と給油の時期とをバルブ６０の幾何学的形状によって重複しないように、吸入経路６１及び給油経路７０と、作動室２６とを連通させることも可能である。これにより、吸入経路６１と給油経路７０との連通を防止でき、給油経路７０から作動室２６の内部にオイルが供給されやすい。その結果、シリンダ２４及びピストン２５の摩耗を抑制でき、レシプロ膨張機１ａが高い信頼性を発揮できる。

【0065】

（実施の形態２）
以下、図７、図８、図９、及び図１０を用いて、実施の形態２を説明する。実施の形態２に係るレシプロ膨張機１ｂは、特に説明する部分を除き、レシプロ膨張機１ａと同様に構成されている。レシプロ膨張機１ａの構成要素と同一又は対応するレシプロ膨張機１ｂの構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。レシプロ膨張機１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、レシプロ膨張機１ｂにも当てはまる。

【0066】

［２－１．構成］
レシプロ膨張機１ｂにおいて、連通路７１の一端は、バルブ６０の中央に形成された孔に開口しており、連通路７１の他端は、バルブ６０の軸線方向に延びる外周面において吸入経路６１及び吐出経路６２以外の部分において開口している。なお、連通路７１は、横穴７２ｂに連なっている。

【0067】

図１０に示す通り、吸入経路６２は、第一凹部６２ａ及び第二凹部６２ｂを含む。第一凹部６２ａは吐出通路２２ｄに接している。一方、第二凹部６２ｂは吐出通路２２ｄに接していない。第二凹部６２ｂは、例えば、バルブ６０の軸線方向において互いに向かい合うバルブ６０の外周面の間に形成されている。第二凹部６２ｂは、バルブ６０の軸線周りにおいて吸入経路６２の端部に位置している。連通路７１及び第二凹部６２ｂは、バルブ６０の半径方向外側に同一の方向に延びている。換言すると、連通路７１の一部は、例えば、バルブ６０の軸線周りにおいて第二凹部６２ｂと重なっている。図９に示す通り、連通路７１は、例えば、吐出行程において吐出行程の終了に近い時期に吸入吐出孔２２ｃに開口する。

【0068】

図９に示す通り、レシプロ膨張機１ｂにおける貯留空間４０は、例えば、連通路７１が吸入吐出孔２２ｃに開口したときにシリンダ２４の内面に接して形成される。このとき、貯留空間４０は、例えば、吸入吐出孔２２ｃをなすシリンダブロック２２の内面と、ピストン２５の外周面と、バルブ６０の外周面とによって形成される。

【0069】

［２－２．動作］
シャフト１０の回転に伴いオイルポンプ７３が作動する。これにより、オイルポンプ７３は、オイル溜まり４０に貯留されたオイルを吸込管７４から吸入し、シャフト１０の縦穴７２ａへ吐出する。縦穴７２を上昇したオイルは、横穴７２ｂを通過して、連通路７１に供給される。連通路７１に供給されたオイルは、連通路７１が吸入吐出孔２２ｃに開口したときに貯留空間４０に貯留される。貯留されたオイルは、吸入行程が開始するときに吸入経路６１及び吸入吐出孔２２ｃを通って作動室２６に流れ込む作動流体とともに、作動室２６に供給される。

【0070】

［２－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、レシプロ膨張機１ｂでは、貯留空間４０に貯留されたオイルは、吸入行程が開始するときに吸入経路６１及び吸入吐出孔２２ｃを通過する作動流体とともに作動室２６に流れ込む。これにより、作動室２６にオイルを均一に供給できるので、シリンダ２４とピストン２５との間の摺動部の摩耗がより抑制され、レシプロ膨張機１ｂがより高い信頼性を発揮する。

【0071】

（実施の形態３）
以下、図１１を用いて、実施の形態３を説明する。

【0072】

［３－１．構成］
図１１に示す通り、ランキンサイクル装置１００は、レシプロ膨張機１ａを備えている。

【0073】

ランキンサイクル装置１００は、例えば、凝縮器１０２と、ポンプ１０３と、蒸発器１０４と、内部熱交換器１０５とをさらに備えている。内部熱交換器１０５は、第一流路１０６と、第二流路１０７とを備えている。ランキンサイクル装置１００は、蒸発器１０４、レシプロ膨張機１ａ、第二流路１０７、凝縮器１０２、ポンプ１０３、第一流路１０６、及び蒸発器１０４の順番で作動流体が流れる閉じた回路を有する。この回路は、蒸発器１０４、レシプロ膨張機１ａ、第二流路１０７、凝縮器１０２、ポンプ１０３、第一流路１０６、及び蒸発器１０４の順番でこれらを配管によって接続することによって形成されている。

【0074】

蒸発器１０４は、熱源１０８が有する熱エネルギーを吸収する熱交換器である。蒸発器１０４は、例えば、フィンチューブ熱交換器である。例えば、蒸発器１０４において、熱源１０８から供給された高温蒸気等の高温の流体とランキンサイクル装置１００の作動流体とが熱交換する。これにより、作動流体が加熱され蒸発し、高温高圧の作動流体が生成される。

【0075】

凝縮器１０２は、例えば、レシプロ膨張機１ａから吐出された作動流体と外気とを熱交換させることにより、作動流体を冷却して凝縮させ、外気へ熱を放出する。凝縮器１０２として、フィンチューブ熱交換器等の公知の熱交換器を使用できる。

【0076】

ポンプ１０３は、凝縮器１０２を通過した作動流体を吸い込んで加圧し、加圧された作動流体を圧送する。ポンプ１０３は、例えば、ギヤポンプ等の容積型のポンプである。

【0077】

内部熱交換器１０５は、レシプロ膨張機１ａから吐出された作動流体とポンプ１０３から吐出された作動流体とを熱交換させる。第二流路１０７をレシプロ膨張機１ａから吐出された作動流体が流れ、第一流路１０６をポンプ１０３から吐出された作動流体が流れる。内部熱交換器１０５は、例えば、プレート式熱交換器である。

【0078】

ランキンサイクル装置１００における作動流体は、望ましくは、有機作動流体である。この場合、熱源１０８から蒸発器１０４に供給される高温流体の温度が約３００℃未満であるときでも、レシプロ膨張機１ａにおいて高い効率で発電がなされやすい。

【0079】

［３－２．構成］
ランキンサイクル装置１００は、例えば以下のように運転される。まず、ポンプ１０３を作動させ、ランキンサイクル装置１００の運転が開始する。その後、ランキンサイクル装置１００における作動流体の循環量が所定値に達したら、熱源１０８から蒸発器１０４に高温流体が供給される。これにより、ランキンサイクル装置１００の作動流体は、蒸発器１０４において高温流体から熱を受け取り、例えば、過熱状態の気相の作動流体に変化する。高温の気相の作動流体はレシプロ膨張機１ａへと送られる。レシプロ膨張機１ａの機構部２０において、作動流体の圧力エネルギーが機械エネルギーに変換され、発電機３０が駆動される。これにより、発電機３０によって電力が生成される。レシプロ膨張機１ａを通過した作動流体は、内部熱交換器１０５の第二流路１０７を通って凝縮器１０２に導かれる。作動流体は、凝縮器１０２において外気によって冷却され、凝縮する。凝縮した作動流体は、ポンプ１０３によって加圧され、内部熱交換器１０５の第一流路１０６を通って再び蒸発器１０４に送られる。

【0080】

ランキンサイクル装置１００では、サイクルの高圧圧力及び低圧圧力を含む圧力条件が同じ場合を考える。この場合、レシプロ膨張機１ａの入口における作動流体の温度が高いほど、レシプロ膨張機１ａの入口における作動流体のエンタルピーとレシプロ膨張機１ａの出口における作動流体のエンタルピーとの差が大きい。このため、ランキンサイクル装置１００の発電効率を向上させる観点から、レシプロ膨張機１ａの入口における作動流体の温度が高いことが有利である。レシプロ膨張機１ａの入口における作動流体の温度が高い場合でも、レシプロ膨張機１ａによれば、ピストン２５とシリンダ２４との間の摺動部の潤滑を確実に行うことができ、高い信頼性を発揮できる。

【0081】

［３－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ランキンサイクル装置１００は、実施の形態１に記載のレシプロ膨張機１ａを備えている。

【0082】

これにより、レシプロ膨張機１ａが高い効率及び高い信頼性を発揮するので、ランキンサイクル装置１００も高い効率及び高い信頼性を発揮しうる。

【0083】

（他の実施の形態）
実施の形態１では、オイルポンプ７３として、容積型のギヤポンプを示した。しかし、オイルポンプ７３は、これに限られず、ギヤポンプ以外の容積型のポンプ又はターボ型のポンプであってもよい。例えば、容積型のポンプは、ピストンポンプ、ベーンポンプ、又はロータリポンプであってもよい。ターボ型のポンプは、遠心ポンプ、斜流ポンプ、又は軸流ポンプであってもよい。オイルポンプ７３は、オイルの粘性を利用したポンプであってもよい。

【0084】

実施の形態１では、上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂとして、滑り軸受を示した。しかし、上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂのそれぞれはこれには限定されない。上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂのそれぞれは、例えば、ブッシュ等の高耐久性の摺動部材を用いた軸受であってもよい。また、上軸受２２ａ及び下軸受２１ｂのそれぞれは、転がり軸受であってもよい。この場合、滑り軸受に比べ摩擦損失の低減が可能である。

【0085】

実施の形態１では、スラスト軸受２７として、転動体として鋼球を備えた玉軸受を示した。しかし、スラスト軸受２７はこれに限定されない。スラスト軸受２７は、転動体として円筒状のころを用いたころ軸受及び流体の動圧又は静圧を利用した滑り軸受等の他の形式の軸受であってもよい。

【0086】

実施の形態１では、レシプロ膨張機の一例として、６つの作動室２６を備えた例を示した。しかし、レシプロ膨張機はこの例に限定されない。レシプロ膨張機１ａは、７つの作動室２６を備えていてもよいし、６個及び７個以外の複数個の作動室２６を備えていてもよい。

【0087】

実施の形態１では、レシプロ膨張機の一例として、ピストン２５の往復動に伴う動力が斜板２８によってシャフト１０に伝達される例を示した。しかし、レシプロ膨張機はこの例に限定されない。レシプロ膨張機は、ピストンの往復動を、ピストンの往復動の方向に平行な方向に延びているシャフトの回転運動に変換する他の機構を備えていてもよい。レシプロ膨張機１ａは、ピストン２５の往復動に伴う動力がコンロッド及びカムによってシャフト１０に伝達されるように構成されていてもよい。

【0088】

実施の形態１でが、レシプロ膨張機の一例として、給油経路７０が吸入行程及び膨張行程において作動室２６に連通していない例を示した。しかし、レシプロ膨張機において、給油経路は、作動室の内部の圧力が吸入圧力より低いときに作動室に連通する限り、膨張行程の少なくとも一部の時期に作動室に連通してもよい。

【0089】

実施の形態１では、レシプロ膨張機の一例として、吸入経路６１と、吐出経路６２と、連通路７１とを有するバルブ６０を備えた例を示した。しかし、レシプロ膨張機はこの例に限定されない。レシプロ膨張機は、例えば、少なくとも１つの電磁弁を備えていてもよい。少なくとも１つの電磁弁は、吸入行程、吐出行程、及び膨張行程の切替を行いつつ、作動室２６の内部の圧力が吸入圧力より低いときに作動室２６に給油経路７０を連通させる。

【0090】

実施の形態３では、実施の形態１に記載のレシプロ膨張機１ａを備えた例を示した。しかし、ランキンサイクル装置は、これに限定されない。例えば、ランキンサイクル装置１００は、実施の形態２に記載のレシプロ膨張機１ｂ等の信頼性の向上の観点から有利なレシプロ膨張機を備えていてもよい。この場合でも、ランキンサイクル装置の信頼性を向上させることができる。

【0091】

実施の形態３では、蒸発器１０４の一例として、フィンチューブ熱交換器を示した。しかし、蒸発器１０４は、これに限定されない。例えば、蒸発器１０４は、プレート式熱交換器及び二重管式熱交換器等の公知の熱交換器であってもよい。

【0092】

実施の形態３では、凝縮器１０２の一例として、フィンチューブ熱交換器を示した。しかし、凝縮器１０２はこれに限定されない。凝縮器１０２は、プレート式熱交換器及び二重管式熱交換器等の熱交換器であってもよい。この場合、凝縮器１０２は、別途設けられた熱媒体回路を流れる水等の熱媒体と作動流体とを熱交換させ作動流体を冷却するように構成されていてもよい。

【0093】

実施の形態３では、ポンプ１０３の一例として、容積型のギヤポンプを示した。しかし、ポンプ１０３はこれに限定されない。ポンプ１０３は、ギヤポンプ以外の容積型のポンプ又はターボ型のポンプであってもよい。容積型のポンプは、ピストンポンプ、ベーンポンプ、又はロータリポンプであってもよい。ターボ型のポンプは、遠心ポンプ、斜流ポンプ、又は軸流ポンプであってもよい。

【0094】

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0095】

本開示は、往復動式のピストンを有するレシプロ膨張機及びランキンサイクル装置に適用可能である。具体的には、電力のみを生成するシステムだけでなく、ＣＨＰシステムなどのコジェネレーションシステムなどにも本開示は適用可能である。

【符号の説明】

【0096】

１ａ、１ｂ レシプロ膨張機
２４ シリンダ
２５ ピストン
２６ 作動室
４０ 貯留空間
６０ バルブ
６１ 吸入経路
６２ 吐出経路
７０ 給油経路
１００ ランキンサイクル装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】