JP2007064149A - 液体ポンプ及びランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ランキンサイクル装置等で電力エネルギを利用することなく作動流体を循環させることができ、しかも、低コストで実現し得る液体ポンプを提供する。
【解決手段】 ランキンサイクル装置の復水器８から作動流体（水）を汲み上げ、ボイラ２に供給する水ポンプ１０を、流体容器１１と、容器１１内の作動流体を加熱して気化させる加熱器１２と、加熱器１２にて気化された蒸気を冷却して液化する冷却器１３とを用いて構成する。また、流体容器１１には、加熱器１２により加熱された蒸気の膨脹圧力により膨張エネルギを蓄積する加振器２０を設け、冷却器１３により蒸気が凝縮されて圧力が低下した際には、加振器２０に蓄積されたエネルギにより加熱器１２に作動流体を供給して、作動流体を加熱させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ランキンサイクル装置等で作動流体を循環させるのに好適な液体ポンプ、及び、その液体ポンプを用いたランキンサイクル装置に関する。

従来より、ランキンサイクル装置では、水等の作動流体を利用して機械的エネルギを発生するために、作動流体をボイラや過熱器を用いて加熱することでして高圧蒸気を生成し、その生成した高圧蒸気を、エネルギ発生用のタービンやピストンを駆動するようにされている。また、これらの駆動に利用した蒸気は、復水器等で回収することにより液化し、その液化後の作動流体を、液体ポンプを利用して、再度、ボイラに供給することで、作動流体を装置内で循環させている（例えば、特許文献１，２等参照）
特開２００３−９７２２２号 特開２００３−１６１１０１号

ところで、従来のランキンサイクル装置では、作動流体を循環させるための液体ポンプとして、通常、電気駆動式の電動ポンプが用いられている。このため、従来のランキンサイクル装置には、この電動ポンプを駆動するための駆動回路や給電用の電源回路等を設ける必要があり、装置構成が複雑になって、コストアップを招くという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、ランキンサイクル装置等で電力エネルギを利用することなく作動流体を循環させることができ、しかも、低コストで実現し得る液体ポンプ、及び、その液体ポンプを利用したランキンサイクル装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の液体ポンプは、流体が流動可能に封入された流体容器と、この流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、この加熱器よりも下方に配置され、流体容器内にて気化した蒸気を冷却して液化させる冷却器とを備える。

そして、加熱器の加熱により流体容器内に蒸気が発生し、その膨張圧力によって流体容器内の液体が流動すると、その流動圧力により吐出用一方向弁が開弁して、流体容器内の液体が外部に吐出される。また、冷却器により蒸気が冷却されて液化すると、流体容器内の圧力が低下して、流体容器内の液体は気化時とは逆方向に流動する。そして、液体がこのように流動すると、その流動圧力（この場合負圧）により吸入用一方向弁が開弁して、外部から流体容器内に液体が吸入される。

従って、請求項１に記載の液体ポンプは、流体容器内の流体を加熱・冷却するだけで、液体を吐出・吸入するポンプとして機能することになり、電気駆動式の液体ポンプ（つまり電動ポンプ）のように、電源回路や駆動回路を介して電力エネルギを供給する必要がない。このため、この液体ポンプを、ランキンサイクル装置において作動流体を循環させるポンプとして利用すれば、ランキンサイクル装置を低コストで実現できる。

また、この液体ポンプを動作させるには、流体容器内の流体を加熱・冷却する必要があるが、この液体ポンプをランキンサイクル装置に利用すれば、ランキンサイクル装置で作動流体の加熱に利用した熱や、作動流体を冷却するための冷却水等を利用して、流体容器内の流体を加熱・冷却することができるので、液体ポンプを運転するのに要するランニングコストを低減することもできる。

また更に、請求項１に記載の液体ポンプにおいては、冷却器の加熱器とは反対側の流体容器から各一方向弁に至る流体通路に、蒸気の膨張時に発生した膨張エネルギの一部を蓄積し、その後、蒸気が液化する際には、その蓄積したエネルギにより蒸気及び液体を圧縮するエネルギ蓄積手段が備えられている。

このため、この液体ポンプによれば、蒸気の膨張圧力によって吐出用一方向弁から外部に液体を吐出した後、蒸気が冷却されて外部から流体を吸入する際には、エネルギ蓄積手段に蓄積されたエネルギにより、加熱器に流体を急速に送り込み、加熱器による流体の加熱を速やかに開始させることができるようになる。つまり、本発明によれば、エネルギ蓄積手段により、流体容器内の流体の移動を促進して、液体ポンプの運転効率を高めることができる。

なお、この液体ポンプにおいて、エネルギ蓄積手段は、請求項２に記載のように、流体通路と外部空間とを遮断して、流体通路内の流体の圧力により外部空間側に変位可能な隔壁を備え、その隔壁の変位により膨張エネルギを蓄積するよう構成してもよく、或いは、請求項３に記載のように、流体通路内に、その通路内の流体の圧力により流体の吐出方向に変位可能な隔壁を設け、この隔壁の変位により膨張エネルギを蓄積するように構成してもよい。

また、隔壁としては、ピストン、ベローズ、ダイアフラムなどを利用することができ、この隔壁の変位により膨張エネルギを実際に蓄積するものとしては、各種の機械的なばねや、気体ばね、或いは、隔壁の変位を回転力として蓄積するフライホイールなどを利用することができる。

また次に、この液体ポンプを実際に実現する際には、請求項４に記載のように、流体容器として、屈曲部が最下部に位置するように略Ｕ字パイプ状に形成したものを使用し、加熱器及び冷却器については、その流体容器のＵ字の一方の直線状パイプ部分に配置し、吐出用一方向弁及び吸入用一方向弁については、その流体容器のＵ字の他方の直線状パイプ部分に連通した吐出用及び吸入用の流体通路に夫々配置するようにするとよい。

そして、このようにすれば、流体容器を直線状のパイプ等で構成した場合に比べて、流体容器の小型化を図ることができる。
次に、請求項５に記載の液体ポンプは、流体容器と、加熱器と、加熱器よりも下方に配置された冷却器と、流体容器内の液体を外部に吐出するための吐出用流体通路と、流体容器内に外部から液体を吸入するための吸入用流体通路とを備える。

そして、流体容器と吐出用流体通路及び吸入用流体通路とを接続する配管内には、ピストンが移動可能に設けられており、このピストンには、蒸気の膨張時にピストンが受ける膨張エネルギの一部を蓄積して、その後、蒸気が液化する際にその蓄積したエネルギにより蒸気及び液体を圧縮するエネルギ蓄積手段が設けられている。

また、ピストンには、ピストンが流体容器側に移動すると、流体容器と吐出用流体通路とを連通させる第１通路と、ピストンが流体容器とは反対側に移動すると、流体容器と吸入用流体通路とを連通させる第２通路とが設けられている。

このため、この請求項５に記載の液体ポンプは、請求項１〜請求項４に記載の液体ポンプにおける吐出用一方向弁及び吸入用一方向弁としての機能が、配管内でのピストンの移動と、その移動に伴い連通状態が切り変わる第１通路及び第２通路とにより実現されることになり、２つの一方向弁に代えてピストンを一つ設けるだけで、請求項１〜請求項４に記載の液体ポンプと同様に、液体の吐出及び吸入を行うことができるようになる。

また、ピストンは、流体容器内の膨張圧力を受けてそのエネルギの一部をエネルギ蓄積手段に伝達する隔壁としても機能することから、エネルギ蓄積手段としては、単に、上述したばねや気体ばね、若しくはフライホイールだけで構成することができる。

よって、この請求項５に記載の液体ポンプは、請求項１〜請求項４に記載の液体ポンプと同等の機能を、より簡単な構成で実現することが可能となり、本発明の液体ポンプの低コスト化を図ることができる。

なお、この請求項５に記載の液体ポンプを実際に実現する際には、請求項６に記載のように、流体容器として、屈曲部が最下部に位置するように略Ｕ字パイプ状に形成されたものを使用し、加熱器及び冷却器は、この流体容器のＵ字の一方の直線状パイプ部分に配置するようにするとよい。そして、この場合、ピストンは、流体容器のＵ字の他方の直線状パイプ部分と、吐出用流体通路及び吸入用流体通路とを接続する配管内に設けるようにすればよい。

つまり、このようにすれば、請求項４に記載の液体ポンプと同様、流体容器を直線状のパイプ等で構成した場合に比べて、流体容器の小型化を図ることができる。
また次に、上述した請求項１〜請求項６に記載の液体ポンプにおいて、流体容器内の流体をより確実に振動させて、液体の吐出及び吸入を長時間連続的に実行させるには、請求項７に記載のように、少なくとも液体ポンプの動作中には、流体容器の加熱器による加熱空間内に蒸気又は他の気体が存在するよう構成するとよい。

つまり、例えば、流体容器内に液体を充填しすぎて、作動流体の加熱後の冷却により流体容器内に気体（蒸気若しくは他の気体）が存在しなくなると、加熱／冷却による作動流体の膨張／収縮がスムーズに行われなくなり、流体容器内での作動流体の移動（振動）が停止してしまうことがある。

しかし、請求項７に記載のように、少なくとも液体ポンプの動作中には、流体容器の加熱器による加熱空間内に蒸気又は他の気体が存在するように液体ポンプを構成すれば、この加熱空間内の蒸気や気体が、流体容器内の流体に周期的な加振力を作用させることになり、流体容器内の作動流体が連続的に振動して、液体の吐出／吸入を連続的に行うことができるようになる。

なお、このように流体容器の加熱空間内に加振用のガスを存在させるには、流体容器内に作動流体と不活性ガスを封入するようにしてもよいが、液体ポンプの動作中には加熱器が動作しているので、その加熱器の加熱によって発生する蒸気の一部が常時加熱空間内に残るように流体容器内に液体を封入すれば、別途加振用のガスを流体容器内に封入する必要はない。

一方、請求項８に記載の液体ポンプにおいては、流体が流動可能に封入された環状の流体容器と、その流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、この加熱器にて加熱されて気化した蒸気を冷却して液化させる冷却器とを備え、冷却器は、加熱器よりも上方に配置されている。

このため、加熱器の動作によって容器内に発生した蒸気は、加熱器において一旦膨張した後、流体容器内上部の冷却器側に移動し、この冷却器にて冷却されて液化される。従って、この液体ポンプの流体容器内では、流体の加熱／冷却によって流体が循環し、その内部圧力は、流体の循環に同期して周期的に変動する。

そして、この請求項８に記載の液体ポンプには、吐出用一方向弁及び吸入用一方向弁が設けられていることから、流体容器内で流体が循環する際には、これら各一方向弁が交互に開弁して、液体の吐出及び吸入が交互に行われることになる。

従って、請求項８に記載の液体ポンプによれば、上述した請求項１〜請求項７に記載の液体ポンプと同様の効果を得ることができる。つまり、この液体ポンプによれば、電動ポンプのように、電源回路や駆動回路を介して電力エネルギを供給する必要がないため、ランキンサイクル装置において作動流体を循環させるポンプとして利用すれば、ランキンサイクル装置を低コストで実現でき、しかも、そのランニングコストを低減することができる。

また、この請求項８に記載の液体ポンプには、環状の流体容器から２つの一方向弁に至る流体通路に、蒸気の膨張時に発生した膨張エネルギの一部を蓄積して、その後、蒸気が液化する際に、その蓄積したエネルギにより蒸気及び液体を圧縮するエネルギ蓄積手段も設けられている。

このため、この液体ポンプによれば、蒸気の膨張圧力によって吐出用一方向弁から外部に液体を吐出した後、蒸気が冷却されて外部から流体を吸入する際には、エネルギ蓄積手段に蓄積されたエネルギにより、加熱器に流体を急速に送り込み、加熱器による流体の加熱を速やかに開始させることができるようになる。つまり、この請求項８に記載の液体ポンプによれば、上述した他の請求項に記載のものと同様、エネルギ蓄積手段により、流体容器内での流体の加熱／冷却を促進して、液体ポンプの運転効率を高めることができる。

なお、この液体ポンプにおいて、エネルギ蓄積手段は、請求項９に記載のように、流体通路と外部空間とを遮断して、流体通路内の流体の圧力により外部空間側に変位可能な隔壁を備え、その隔壁の変位により膨張エネルギを蓄積するよう構成するとよい。そしてこの場合、隔壁としては、上述したピストン、ベローズ、ダイアフラムなどを利用することができ、隔壁の変位により膨張エネルギを実際に蓄積するものとしては、上述したばねや気体ばね、或いは、フライホイールなどを利用することができる。

次に、請求項１０に記載の液体ポンプは、環状の流体容器と、加熱器と、加熱器よりも上方に配置された冷却器と、流体容器内の液体を外部に吐出するための吐出用流体通路と、流体容器内に外部から液体を吸入するための吸入用流体通路とを備える。

そして、流体容器と吐出用流体通路及び吸入用流体通路とを接続する配管内には、ピストンが移動可能に設けられており、このピストンには、蒸気の膨張時にピストンが受ける膨張エネルギの一部を蓄積して、その後、蒸気が液化する際にその蓄積したエネルギにより蒸気及び液体を圧縮するエネルギ蓄積手段が設けられている。

また、ピストンには、ピストンが流体容器側に移動したときに流体容器と吐出用流体通路とを連通させる第１通路と、ピストンが流体容器とは反対側に移動したときに流体容器と吸入用流体通路とを連通させる第２通路とが設けられている。

このため、この請求項１０に記載の液体ポンプは、請求項８、請求項９に記載の液体ポンプにおける吐出用一方向弁及び吸入用一方向弁としての機能が、配管内でのピストンの移動と、その移動に伴い連通状態が切り変わる第１通路及び第２通路とにより実現されることになり、２つの一方向弁に代えてピストンを一つ設けるだけで、請求項８、請求項９に記載の液体ポンプと同様に、液体の吐出及び吸入を行うことができるようになる。

また、ピストンは、流体容器内の膨張圧力を受けてそのエネルギの一部をエネルギ蓄積手段に伝達する隔壁としても機能することから、エネルギ蓄積手段としては、単に、上述したばねや気体ばね、若しくはフライホイールだけで構成することができる。

よって、この請求項１０に記載の液体ポンプは、請求項８、請求項９に記載の液体ポンプと同等の機能を、より簡単な構成で実現することが可能となり、本発明の液体ポンプの低コスト化を図ることができる。

なお、請求項８〜請求項１０の何れかに記載の液体ポンプにおいて、加熱器又は冷却器と流体との熱交換時間を長くして、液体ポンプの運転効率を高めるには、請求項１１に記載のように、流体容器内を循環する流体の流速を周期的に変化させる流速制御手段を設けることが望ましく、この流速制御手段としては、電磁バルブや絞り弁などを利用することができる。

次に、請求項１２に記載の発明は、作動流体を加熱して高圧蒸気を生成し、その生成した高圧蒸気を利用して機械的エネルギを発生すると共に、その機械的エネルギの発生に利用した蒸気を回収して液化することで、作動流体を循環させるランキンサイクル装置に関するものである。

そして、このランキンサイクル装置においては、当該ランキンサイクル装置から液化後の作動流体を一旦回収して、当該ランキンサイクル装置に再度供給するポンプとして、請求項１〜請求項１１の何れかに記載の液体ポンプを備えたことを特徴とする。

従って、本発明のランキンサイクル装置によれば、電動ポンプを利用して作動流体を循環させる従来のランキンサイクル装置に比べて、低コストで実現することができ、また、そのランニングコストも低減することができる。

以下に本発明が適用された実施形態を図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明が適用された第１実施形態のランキンサイクル装置全体の構成を表す概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態のランキンサイクル装置は、作動流体である水を加熱して蒸気を発生するボイラ２と、ボイラ２にて生成された蒸気を過熱して高圧蒸気を生成する過熱器４と、過熱器４にて生成された高圧蒸気により駆動されるタービン６と、タービン６の駆動に利用した蒸気を冷却水で冷却して液化する復水器８と、この復水器８にて液化された作動流体（つまり水）を汲み上げ、ボイラ２に供給する水ポンプ１０とから構成されている。

そして、この水ポンプ１０には、従来のランキンサイクル装置にて使用されている一般的な電動ポンプではなく、本発明が適用された液体ポンプが使用されている。
即ち、この水ポンプ１０は、ランキンサイクル装置の作動流体と同じ作動流体（つまり水）が流動可能に封入された流体容器１１と、流体容器１１内の流体を加熱する加熱器１２と、加熱器１２にて加熱されて気化した蒸気を冷却する冷却器１３とを備えている。

流体容器１１は、加熱器１２及び冷却器１３に対応する部位を除き、断熱性に優れた材料(具体的には、本実施形態では作動流体が水であるので、ステンレス)にて形成されており、加熱器１２及び冷却器１３に対応する部位は、その材料（つまりステンレス）よりも熱伝導率に優れた銅又はアルミニウムにて形成されている。

そして、流体容器１１は、例えば、ステンレスからなるパイプをＵ字状に屈曲させることにより、略Ｕ字パイプ状に形成されており、その屈曲部１１ａが最下部に位置し、屈曲部１１ａより延びた２つの直線部１１ｂ、１１ｃが鉛直線上に位置するように配置されている。

また、流体容器１１を構成している２つの直線部１１ｂ、１１ｃの内、一方の直線部１１ｂには、加熱器１２及び冷却器１３が設けられている。そして、この直線部１１ｂの上端は閉塞されており、加熱器１２は、この直線部１１ｂの上端部周囲に配置され、冷却器１３は、加熱器１２よりも下方の直線部１１ｂ周囲に配置されている。

一方、流体容器１１を構成している他方の直線部１１ｃの上端からは、略水平方向に配管１５が延設されており、この配管１５の他端には、流体容器１１内の水をボイラ２へ吐出するための吐出用流体通路１６、及び、復水器８から水を吸入するための吸入用流体通路１７がそれぞれ接続されている。

そして、吐出用流体通路１６内には、流体容器１１の内部圧力が上昇した際に開弁して、内部の水をボイラ２へ吐出する吐出用一方向弁１８が設けられ、吸入用流体通路１７内には、流体容器１１の内部圧力が低下した際に開弁して、復水器８内の水を流体容器１１内に吸入する吸入用一方向弁１９が設けられている。

また、流体容器１１の最下部に位置する屈曲部１１ａには、流体容器１１内の圧力が上昇した際に、そのエネルギの一部を蓄積し、次に流体容器１１内の圧力が低下したときに、蓄積したエネルギにより流体容器１１内の圧力を上昇させることで、加熱器１２に流体を送り込む、加振器２０が設けられている。

この加振器２０は、本発明のエネルギ蓄積手段に相当するものであり、流体容器１１の屈曲部１１ａに連通してピストン２２を摺動可能なシリンダ内に、隔壁としてのピストン２２と、このピストン２２を流体容器１１側に付勢するばね２４とを収納することにより構成されている。

次に、本実施形態の水ポンプ１０の動作を図２を用いて説明する。
図２（ａ）に示す如く、水ポンプ１０において、加熱器１２及び冷却器１３を作動させると、流体容器１１の直線部１１ｂ内の上方の液体（水）が加熱器１２により加熱されて、気化し、流体容器１１内の圧力が上昇し始める。この結果、流体容器１１内に封入された液体が、直線部１１ｂから直線部１１ｃ側に流動し始め、吐出用一方向弁１８が開弁して、流体容器１１内の水がボイラ２に吐出し始める。

また、加熱器１２による加熱に伴い、流体容器１１の直線部１１ｂで気化した蒸気は膨張し、流体容器１１内の圧力は更に上昇する。すると、図２（ｂ）に示すように、その膨張エネルギにより、加振器２０のピストン２２がばね２４の付勢力に抗して、流体容器１１の外側に変位し、そのエネルギがばね２４の反発力として加振器２０に蓄積される。

次に、流体容器１１の直線部１１ｂに発生した蒸気によって液体の液面が冷却器１３まで下がると、蒸気は冷却器１３により冷却されて凝縮し始める。すると、流体容器１１内の圧力が低下し始めることから、吐出用一方向弁１８が閉じられ、今度は、吸入用一方向弁１９が開弁して、図２（ｃ）に示すように、復水器８から流体容器１１内に液体（水）が流入し始める。

そして、冷却器１３による冷却により蒸気の液化が進み、流体容器１１内の圧力が更に低下すると、復水器８にて液化されたランキンサイクル装置の作動流体（水）が流体容器１１内に吸入されるだけでなく、図２（ｄ）に示すように、加振器２０のばね２４に蓄積されたエネルギにより、ピストン２２が流体容器１１側に移動し、これに伴い、流体容器１１内の蒸気が圧縮されて、加熱器１２による加熱空間内に液体（水）が流れ込む。

そして、このように加熱器１２の加熱空間に流れ込んだ液体（水）は、加熱器１２により再び気化され、その後は、図２（ａ）〜（ｄ）に示した加熱−膨張−凝縮−圧縮の各行程が繰り返されることになる。

以上のように、本実施形態のランキンサイクル装置によれば、作動流体である水を循環させるためのポンプとして、従来より使用されている電動ポンプではなく、本発明の液体ポンプを適用した水ポンプ１０を使用するようにされている。

そして、この水ポンプ１０によれば、流体容器１１内の流体を加熱・冷却するだけで、復水器８にて液化された作動流体を吸入して、ボイラ２に供給することができ、その動作のために、外部から電力エネルギを供給する必要がないので、ランキンサイクル装置の構成を簡素化して、その製造コストを低減できる。

また、本実施形態の水ポンプ１０を動作させるには、流体容器内の流体を加熱・冷却する必要があるが、ランキンサイクル装置では、ボイラ２や過熱器４で流体を加熱するのに使用した熱が廃熱として捨てられているので、この熱を利用して水ポンプ１０を動作させれば、水ポンプ１０を運転するのに要するランニングコストを略零にまで低減することができる。

また、本実施形態の水ポンプ１０においては、冷却器１３から吐出用及び吸入用の各一方向弁１８、１９に至る流体通路である流体容器１１の屈曲部１１ａに、エネルギ蓄積手段としての加振器２０が設けられている。そして、この加振器２０は、加熱器１２で気化した蒸気の膨張エネルギの一部を蓄え、蒸気の冷却（凝縮）によって流体容器１１の内部圧力が低下した際に、その蓄積したエネルギにより、加熱器１２に作動流体を送り込むことから、加熱器１２による流体の加熱動作を速やかに開始させて、水ポンプ１０の運転効率を高めることができる。

なお、このように蒸気の凝縮により流体容器１１内の圧力が低下すると加振器２０の動作によって加熱器１２に流体（水）が速やかに供給されて、加熱器１２が流体（水）を加熱し始めるので、加熱器１２による加熱空間内には、加熱器１２からの熱によって常時蒸気が残ることになる（図２（ｄ）参照）。

このため、本実施形態によれば、水ポンプ１０の動作時に、流体容器１１内の圧力上昇を緩和することのできる気体がなくなり、流体容器１１内の圧力が上昇しすぎて、流体容器１１内での作動流体（水）の移動（振動）が停止してしまう、といったことも防止できる。

ここで、本第１実施形態では、エネルギ蓄積手段としての加振器２０は、ピストン２２とばね２４とで構成するものとして説明したが、例えば、図３に示す水ポンプ３０のように、流体容器１１の屈曲部１１ａに連通したシリンダ内に設けられたピストン３２にロッド３４を接続し、このロッド３４の他端に、ロッド３４の軸方向の移動を回転運動に変換する変換機構（より具体的にはクランクなど）３６を設け、この変換機構３６の回転軸にフライホイール３８を設けることで、エネルギ蓄積手段としての加振器３１を構成するようにしてもよい。

つまり、このようにすれば、流体容器１１内の作動流体（水）の圧力変動に同期してフライホイール３８が回転することになり、低圧時には、このフライホイール３８の回転によりピストン３２を流体容器１１側に移動させて、加熱器１２に作動流体（水）を送り込むことができる。

また、こうした加振器としては、例えば、ピストン２２、３２が摺動自在に収納されるシリンダ内にガスを充填して、そのガスを気体ばねとして利用するようにしてもよい。
また、エネルギ蓄積手段としての加振器は、必ずしも、流体容器１１に連通したシリンダ内に設けたピストン（若しくはベローズ、ダイアフラムなどの隔壁）を用いる必要はなく、例えば、図４に示す水ポンプ４０のように、加振器４１を、流体容器１１内に設けられたピストン４２と、このピストン４２を加熱器１２方向に付勢するばね４４とで構成してもよい。

つまり、このように加振器４１を構成しても、ピストン４２は、流体容器１１内で発生した膨張エネルギにより加熱器１２とは反対側に移動し、ばね４４にその膨張エネルギが蓄積されることになり、その後の流体容器１１内の流体圧力の低下によって、加熱器１２に流体を供給することが可能となる。

なお、このように流体容器１１内にピストン４２を設ける場合、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、ピストン４２に作動流体の移動通路４２ａを形成して、加熱器１２側で発生した膨張エネルギにより、ピストン４２がエネルギを蓄積する方向に移動した際（図４（ｂ）参照）には、ピストン４２の加圧器１２側に存在する液体（水）を、吐出用流体通路１６に供給して、その液体（水）をボイラ２に向けて吐出できるようにする必要はある。
（第２実施形態）
次に、図５は、本発明が適用された第２実施形態のランキンサイクル装置用の水ポンプ５０を表す説明図である。

図５に示すように、本実施形態の水ポンプ５０は、第１実施形態と同様、ステンレスからなるパイプをＵ字状に屈曲させることにより、略Ｕ字パイプ状に形成された流体容器１１を備えている。そして、この流体容器１１は、その屈曲部１１ａが最下部に位置し、屈曲部１１ａより延びた２つの直線部１１ｂ、１１ｃが鉛直線上に位置するように配置され、しかも、一方の直線部１１ｂには、第１実施形態のものと同様に、加熱器１２及び冷却器１３が設けられている。

一方、流体容器１１を構成している他方の直線部１１ｃの上端からは、略水平方向に真っ直ぐ延びる配管１５が延設されており、この配管１５の途中には、流体容器１１内の水をボイラ２へ吐出するための吐出用流体通路１６と、復水器８から水を吸入するための吸入用流体通路１７とが、配管１５に対して略直交するように接続されている。そして、配管１５には、加振器５１として、これら各流体通路１６、１７への接続部を遮断するように、長尺状のピストン５２が設けられている。

また、配管１５の先端部分は、閉塞されており、この閉塞端とピストン５２との間には、ピストン５２を流体容器１１側に付勢するばね５４が収納されている。そして、このピストン５２には、ばね５４の付勢力によりピストン５２が流体容器１１側に位置するときに、流体容器１１と吐出用流体通路１６とを連通させる第１通路５２ａと、ピストン５２が配管１５の終端側（つまり流体容器１１とは反対側）に位置するときに、流体容器１１と吸入用流体通路１７とを連通させる第２通路５２ｂが設けられている。

なお、第１通路５２ａの吐出用流体通路１６への開口部と、第２通路５２ｂの吸入用流体通路１７への開口部との、ピストン５２の摺動方向に沿った間隔は、少なくともこれら各通路５２ａ、５２ｂが、対応する各流体通路１６、１７と同時に連通することのないよう、各流体通路１６、１７の配管径以上に設定されている。

このため、第２実施形態の水ポンプ５０によれば、図５（ａ）に示すように、加熱器１２により流体容器１１内の流体（水）が加熱されて気化し、蒸気が形成される高圧時には、流体容器１１内の液体（水）が、第１通路５２ａを通って吐出用流体通路１６に流出し、ボイラ２に供給されることになる。

また、蒸気の膨張により、ピストン５２がその膨張エネルギを受けて、配管１５の終端側に移動すると、第１通路５２ａが遮断され、流体容器１１は、第２通路５２ｂを介して、吸入用流体通路１７と連通されることになる。

このため、図５（ｂ）に示すように、蒸気が膨張して冷却器１３の冷却により凝縮する際（つまり流体容器１１の低圧時）には、復水器８から吸入用流体通路１７及び第２通路５２ｂを通って流体容器１１に液体（水）が流れ込む。

そして、流体容器１１の圧力が低下して、ばね５４に蓄積されたエネルギによりピストン５２が流体容器１１側に移動すると、その移動によって流体容器１１内の液体（水）が加熱器１２に供給され、加熱器１２による液体（水）の加熱が再開される。

よって、本実施形態の水ポンプ５０によれば、第１実施形態のように吐出用流体通路１６と吸入用流体通路１７とに一方向弁を設けることなく、第１実施形態と略同様の機能を実現できることになる。
（第３実施形態）
次に、図６は、本発明が適用された第３実施形態のランキンサイクル装置用の水ポンプ６０を表す説明図である。

図６に示すように、本実施形態の水ポンプ６０は、環状の流体容器６２を備える。そして、この流体容器６２において、鉛直方向に沿った直線部分には、加熱器１２の上方に冷却器１３が位置するように、加熱器１２及び冷却器１３が取り付けられている。

なお、流体容器６２は、加熱器１２及び冷却器１３に対応する部位を除き、断熱性に優れた材料(具体的にはステンレス)にて形成されており、加熱器１２及び冷却器１３に対応する部位は、その材料（つまりステンレス）よりも熱伝導率に優れた銅又はアルミニウムにて形成されている。

流体容器６２において、冷却器１３よりも上方部分には、略水平方向に配管１５が延設されており、この配管１５の他端には、第１実施形態の水ポンプ１０と同様、流体容器２１内の水をボイラ２へ吐出するための吐出用流体通路１６、及び、復水器８から水を吸入するための吸入用流体通路１７がそれぞれ接続されており、更に、吐出用流体通路１６内には、吐出用一方向弁１８が設けられ、吸入用流体通路１７内には、吸入用一方向弁１９が設けられている。

一方、流体容器６２において、加熱器１２よりも下方には、流体の通路を開閉するための開閉弁６４が設けられており、この開閉弁６４は、駆動回路６６により、周期的に開閉される。

また環状の流体容器６２と各流体通路１６、１７とを連通する配管１５の流体容器６２寄りには、第１実施形態の加振器２０と同様に、流体容器６２に連通してピストン７２を摺動可能なシリンダ内に、隔壁としてのピストン７２と、このピストン７２を流体容器６２側に付勢するばね７４とを収納することにより構成された加振器７０が設けられている。

このように構成された本実施形態の水ポンプ６０においては、開閉弁６４の閉弁時に、流体容器６２内での流体の移動が停止されることから、加熱器１２で内部流体が充分加熱されて沸騰気化し、その気化した蒸気が膨脹する。

すると、この膨張圧力により、吐出用一方向弁１８が開弁して、流体容器２１内の水をボイラ２側に吐出させる。また、この膨張圧力は加振器７０のピストン７２にも加わることから、ピストン７２は、この膨張圧力によりばね７４を押圧する方向に変移し、ばね７４には、そのエネルギが蓄積されることになる。

また、このように膨張した蒸気は、加熱器１２から上方の冷却器１３側に上昇するが、駆動回路６６は、開閉弁６４の閉弁後の蒸気の上昇動作に同期して、開閉弁６４を一時的に開弁するようにされている。このため、加熱器１２による加熱によって発生・膨張した蒸気は、加熱器１２から冷却器１３へと速やかに移動し、冷却器１３にて冷却されて液化する。

そして、このとき、吸入用一方向弁１９の流体容器６２側には、流体容器６２内に流体を吸入するための負圧が加わることから、吸入用一方向弁１９が開弁して、復水器８から流体容器６２内に作動流体が流入する。また、加振器７０のピストン７２も、ばね７４に蓄積されたエネルギにより流体容器６２側に変位することから、復水器８から吸入された作動流体は、流体容器６２の循環経路を通って加熱器１２側に供給される。

従って、本実施形態の水ポンプ６０においても、第１実施形態の水ポンプ１０と同様、流体容器６２内の流体を周期的に流動させて、復水器８にて液化されたランキンサイクル装置の作動流体を自動で汲み上げ、ボイラ２に供給することができるようになる。

そして、本実施例の水ポンプ６０は、開閉弁６４を駆動するための駆動回路６６を設ける必要はあるものの、その駆動回路６６は、単に開閉弁６４を周期的に開閉すればよく、電動ポンプを駆動する駆動回路に比べて、極めて簡単に構成できることから、ランキンサイクル装置の構成を簡素化して、その製造コストを低減できる。また、流体容器６２内の流体の加熱には、ランキンサイクル装置で発生した熱を利用できるので、水ポンプ６０を運転するのに要するランニングコストを充分低減することができる。
（第４実施形態）
次に、図７は、本発明が適用された第４実施形態のランキンサイクル装置用の水ポンプ８０を表す説明図である。

図７に示すように、本実施形態の水ポンプ８０は、第３実施形態の水ポンプ６０と同様に加熱器１２、冷却器１３及び開閉弁６４が設けられた環状の流体容器６２を備える。そして、この流体容器６２において、流体容器６２と、吐出用及び吸入用の各流体通路１６、１７とを接続する配管１５は、第２実施形態の水ポンプ５０と同様、流体容器６２から略水平方向に真っ直ぐに延設されており、各流体通路１６、１７は、この配管１５の途中に接続されている。そして、配管１５には、加振器８１として、これら各流体通路１６、１７への接続部を遮断するように、長尺状のピストン８２が設けられている。

また、配管１５の先端部分は、閉塞されており、この閉塞端とピストン８２との間には、ピストン８２を流体容器６２側に付勢するばね８４が収納されている。そして、このピストン８２には、ばね８４の付勢力によりピストン８２が流体容器６２側に位置するときに、流体容器６２と吐出用流体通路１６とを連通させる第１通路８２ａと、ピストン８２が配管１５の終端側（つまり流体容器６２とは反対側）に位置するときに、流体容器６２と吸入用流体通路１７とを連通させる第２通路８２ｂが設けられている。

なお、第１通路８２ａの吐出用流体通路１６への開口部と、第２通路８２ｂの吸入用流体通路１７への開口部との、ピストン８２の摺動方向に沿った間隔は、これら各通路８２ａ、８２ｂが対応する各流体通路１６、１７と同時に連通することのないよう、各流体通路１６、１７の配管径以上に設定されている。

このため、第４実施形態の水ポンプ８０によれば、図７（ａ）に示すように、加熱器１２により流体容器６２内の流体（水）が加熱されて気化し、蒸気が形成される高圧時には、流体容器６２内の液体（水）が、第１通路８２ａを通って吐出用流体通路１６に流出し、ボイラ２に供給されることになる。

また、蒸気の膨張により、ピストン８２がその膨張エネルギを受けて、配管１５の終端側に移動すると、第１通路８２ａが遮断され、流体容器６２は、第２通路８２ｂを介して、吸入用流体通路１７と連通されることになる。

このため、図７（ｂ）に示すように、蒸気が膨張して冷却器１３の冷却により凝縮する際（つまり流体容器６２の低圧時）には、復水器８から吸入用流体通路１７及び第２通路８２ｂを通って流体容器６２に液体（水）が流れ込む。

そして、流体容器６２の圧力が低下して、ばね８４に蓄積されたエネルギによりピストン８２が流体容器６２側に移動すると、流体容器６２内の液体（水）が流体容器６２の循環経路を通って加熱器１２側に供給される。

よって、本実施形態の水ポンプ８０によれば、第３実施形態と同様に、環状の流体容器６２を使って作動流体を給排可能な水ポンプを実現でき、しかも、第３実施形態のように吐出用流体通路１６と吸入用流体通路１７とに一方向弁を設ける必要がないことから、環状の流体容器６２を利用した水ポンプを、第３実施形態よりも低コストで実現できることになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて種々の態様を採ることができる。

第１実施形態のランキンサイクル装置全体の構成を表す概略構成図である。 第１実施形態の水ポンプ（液体ポンプ）の動作を説明する説明図である。 第１実施形態の水ポンプの変形例を表す説明する説明図である。 第１実施形態の水ポンプのもう一つの変形例を表す説明図である。 第２実施形態の水ポンプの構成及び動作を表す説明図である。 第３実施形態の水ポンプの構成及び動作を表す説明図である。 第４実施形態の水ポンプの構成及び動作を表す説明図である。

符号の説明

２…ボイラ、４…過熱器、６…タービン、８…復水器、１０…水ポンプ、１１…流体容器、１１ａ…屈曲部、１１ｂ…直線部、１１ｃ…直線部、１２…加熱器、１３…冷却器、１５…配管、１６…吐出用流体通路、１７…吸入用流体通路、１８…吐出用一方向弁、１９…吸入用一方向弁、２０…加振器、２２…ピストン、３０…水ポンプ、３１…加振器、３２…ピストン、３４…ロッド、３６…変換機構、３８…フライホイール、４０…水ポンプ、４１…加振器、４２…ピストン、４２ａ…移動通路、５０…水ポンプ、５１…加振器、５２…ピストン、５２ａ…第１通路、５２ｂ…第２通路、６０…水ポンプ、６２…流体容器、６４…開閉弁、６６…駆動回路、７０…加振器、７２…ピストン、８０…水ポンプ、８１…加振器、８２…ピストン、８２ａ…第１通路、８２ｂ…第２通路。

Claims (12)

1. 流体が流動可能に封入された流体容器と、
   該流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、
   該加熱器よりも下方に配置され、前記流体容器内にて前記加熱器の加熱により気化した蒸気を冷却して液化させる冷却器と、
   前記蒸気の膨脹圧力により生じる液体の流動により開弁して、前記流体容器内の液体を外部に吐出する吐出用一方向弁と、
   前記蒸気の液化により生じる液体の流動により開弁して、外部から前記流体容器内に液体を吸入する吸入用一方向弁と、
   前記冷却器の前記加熱器とは反対側の流体容器から前記各一方向弁に至る流体通路に設けられ、前記蒸気の膨張時に発生した膨張エネルギの一部を蓄積し、その後、前記蒸気が液化する際に、蓄積したエネルギにより蒸気及び液体を圧縮するエネルギ蓄積手段と、
   を備えたことを特徴とする液体ポンプ。
2. 前記エネルギ蓄積手段は、
   前記流体通路と外部空間とを遮断し、前記流体通路内の流体の圧力により外部空間側に変位可能な隔壁を備え、
   該隔壁の変位により前記膨張エネルギを蓄積することを特徴とする請求項１に記載の液体ポンプ。
3. 前記エネルギ蓄積手段は、
   前記流体通路内に設けられ、前記流体通路内の流体の圧力により前記流体の吐出方向に変位可能な隔壁を備え、
   該隔壁の変位により前記膨張エネルギを蓄積することを特徴とする請求項１に記載の液体ポンプ。
4. 前記流体容器は、屈曲部が最下部に位置するように略Ｕ字パイプ状に形成されており、
   前記加熱器及び冷却器は、前記流体容器のＵ字の一方の直線状パイプ部分に配置され、
   前記吐出用一方向弁及び吸入用一方向弁は、前記流体容器のＵ字の他方の直線状パイプ部分に連通した吐出用及び吸入用の流体通路に夫々配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の液体ポンプ。
5. 流体が流動可能に封入された流体容器と、
   該流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、
   該加熱器よりも下方に配置され、前記流体容器内にて前記加熱器の加熱により気化した蒸気を冷却して液化させる冷却器と、
   前記流体容器内の液体を外部に吐出するための吐出用流体通路と、
   前記流体容器内に外部から液体を吸入するための吸入用流体通路と、
   前記流体容器と、前記吐出用流体通路及び前記吸入用流体通路とを接続する配管内に移動可能に設けられたピストンと、
   前記蒸気の膨張時に前記ピストンが受ける膨張エネルギの一部を蓄積し、その後、前記蒸気が液化する際に、蓄積したエネルギにより蒸気及び液体を圧縮するエネルギ蓄積手段と、
   前記ピストンに形成され、該ピストンが前記流体容器側に移動すると、前記流体容器と前記吐出用流体通路とを連通させる第１通路と、
   該第１通路と共に前記ピストンに形成され、前記ピストンが前記流体容器とは反対側に移動すると、前記流体容器と前記吸入用流体通路とを連通させる第２通路と、
   を備えたことを特徴とする液体ポンプ。
6. 前記流体容器は、屈曲部が最下部に位置するように略Ｕ字パイプ状に形成されており、
   前記加熱器及び冷却器は、前記流体容器のＵ字の一方の直線状パイプ部分に配置され、
   前記ピストンは、前記流体容器のＵ字の他方の直線状パイプ部分と、前記吐出用流体通路及び吸入用流体通路とを接続する配管内に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の液体ポンプ。
7. 少なくとも当該液体ポンプの動作中には、前記流体容器の前記加熱器による加熱空間内に蒸気又は他の気体が存在するよう構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の液体ポンプ。
8. 流体が流動可能に封入された環状の流体容器と、
   該流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、
   該加熱器よりも上方に配置され、前記流体容器内にて前記加熱器の加熱により気化した蒸気を冷却して液化させる冷却器と、
   前記蒸気の膨脹圧力により生じる液体の流動により開弁して、前記流体容器内の液体を外部に吐出する吐出用一方向弁と、
   前記蒸気の液化により生じる液体の流動により開弁して、外部から前記流体容器内に液体を吸入する吸入用一方向弁と、
   前記環状の流体容器から前記２つの一方向弁に至る流体通路に設けられ、前記蒸気の膨張時に発生した膨張エネルギの一部を蓄積し、その後、前記蒸気が液化する際に、蓄積したエネルギにより蒸気及び液体を圧縮するエネルギ蓄積手段と、
   を備えたことを特徴とする液体ポンプ。
9. 前記エネルギ蓄積手段は、
   前記流体通路と外部空間とを遮断し、前記流体通路内の流体の圧力により外部空間側に変位可能な隔壁を備え、
   該隔壁の変位により前記膨張エネルギを蓄積することを特徴とする請求項８に記載の液体ポンプ。
10. 流体が流動可能に封入された環状の流体容器と、
    該流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、
    該加熱器よりも上方に配置され、前記流体容器内にて前記加熱器の加熱により気化した蒸気を冷却して液化させる冷却器と、
    前記流体容器内の液体を外部に吐出するための吐出用流体通路と、
    前記流体容器内に外部から液体を吸入するための吸入用流体通路と、
    前記流体容器と、前記吐出用流体通路及び前記吸入用流体通路とを接続する配管内に移動可能に設けられたピストンと、
    前記蒸気の膨張時に前記ピストンが受ける膨張エネルギの一部を蓄積し、その後、前記蒸気が液化する際に、蓄積したエネルギにより蒸気及び液体を圧縮するエネルギ蓄積手段と、
    前記ピストンに形成され、該ピストンが前記流体容器側に移動すると、前記流体容器と前記吐出用流体通路とを連通させる第１通路と、
    該第１通路と共に前記ピストンに形成され、前記ピストンが前記流体容器とは反対側に移動すると、前記流体容器と前記吸入用流体通路とを連通させる第２通路と、
    を備えたことを特徴とする液体ポンプ。
11. 前記流体容器内を循環する流体の流速を周期的に変化させる流速制御手段を有することを特徴とする請求項８〜請求項１０の何れかに記載の液体ポンプ。
12. 作動流体を加熱して高圧蒸気を生成し、該生成した高圧蒸気を利用して機械的エネルギを発生すると共に、該機械的エネルギの発生に利用した蒸気を回収して液化することで、作動流体を循環させるランキンサイクル装置において、
    当該ランキンサイクル装置から液化後の作動流体を一旦回収して、当該ランキンサイクル装置に再度供給するポンプとして、請求項１〜請求項１１の何れかに記載の液体ポンプを備えたことを特徴とするランキンサイクル装置。

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