JP2008075637A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入した流体を昇圧して吐出する流体機械において、簡単な構成で摺動部の潤滑を確実に確保する。
【解決手段】シリンダ室８０を形成する扁平円筒状のシリンダ８と、シリンダ室８０に配設される円筒ピストン５と、円筒ピストン５の中心部に嵌通されて、外部駆動源３３１により回転される駆動軸部１と、駆動軸部１を回転可能に保持する軸受部３１、４１とを備え、駆動軸部１の回転により円筒ピストン５がシリンダ室８０内で作動されて、シリンダ室８０内に吸入した流体を昇圧して吐出する流体機械において、駆動軸部１が円筒ピストン５および軸受部３１，４１と接触する部分を包含するように駆動軸部１の周囲に、上記流体より高粘度の潤滑油が充満される貯油室１０が形成されており、貯油室１０より低い圧力に維持される微小空間５１、５３が、円筒ピストン５の軸方向端面５０に沿って貯油室１０の外側に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、吸入した流体を昇圧して吐出する流体機械に関するものであり、例えばランキンサイクルにおいてサイクル内に冷媒を循環させるポンプに用いて好適である。

従来、吸入した流体を昇圧して吐出する流体機械である圧縮機あるいはポンプとして、例えば、特許文献１に示されるものが知られている。すなわち、この流体機械は、駆動軸の偏心軸部に摺動可能に嵌合させたローラ（円筒ピストン）をシリンダ内で公転させることにより、シリンダ内に吸入した流体を昇圧して吐出するロータリー式のもので、偏心軸部とローラとの間の摺接面には潤滑のための油を供給している。

さらには、この潤滑油がシリンダ内の作動室に漏れるのを防ぐため、偏心軸部の軸方向両端部を小径に形成して、大径軸部の軸方向両端面の周縁部においてローラの内周面との間にシール材を環状に設けている。また、高圧となった作動室から摺動部側に漏れる流体を、ローラ内周面と小径軸部との間にできた空間に受け取って、吸入初期においてこの空間を吸入通路に連通させることで、吸入通路に流出させている。

ところで、例えばランキンサイクルにおいてサイクル内に冷媒を循環させる液体ポンプとして用いられる流体機械においては、低粘度である液冷媒がポンプの摺動部に入り込むと摺動部に油膜が形成され難くなるので、摺動部の潤滑を確実に確保するためには、高粘度の潤滑油を摺動部に供給すると共に、液冷媒が摺動部に入り込むことを防止する必要がある。

この場合の液体ポンプとして、例えば上記構成の流体機械を用いることで、摺動部に高粘度の潤滑油を供給すると共に、作動室から液冷媒が摺動部に入り込むことを防止することが可能である。
特開平５−７９４８１号公報

しかしながら、上記流体機械は複雑な構成であるため、偏心軸部に小径軸部を形成し、大径軸部に環状溝を設けてシール材を取り付けるなど、部品数や組付工数が増大するという問題があった。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、吸入した流体を昇圧して吐出する流体機械において、簡単な構成で摺動部の潤滑を確実に確保することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明は、シリンダ室（８０）を形成する扁平円筒状のシリンダ（８）と、シリンダ室（８０）に配設される円筒ピストン（５）と、円筒ピストン（５）の中心部に嵌通されて、外部駆動源（３３１）により回転される駆動軸部（１）と、駆動軸部（１）を回転可能に保持する軸受部（３１、４１）とを備え、駆動軸部（１）の回転により円筒ピストン（５）がシリンダ室（８０）内で作動されて、シリンダ室（８０）内に吸入した流体を昇圧して吐出する流体機械において、駆動軸部（１）が円筒ピストン（５）および軸受部（３１，４１）と接触する部分を包含するように駆動軸部（１）の周囲に、上記流体より高粘度の潤滑油が充満される貯油室（１０）が形成されており、貯油室（１０）より低い圧力に維持される微小空間（５１、５３）が、円筒ピストン（５）の軸方向端面（５０）に沿って貯油室（１０）の外側に形成されていることを特徴としている。

このように、流体機械の摺動部である駆動軸部（１）と円筒ピストン（５）および軸受部（３１、４１）との接触部分を包含するように貯油室（１０）を形成して、ここを高粘度の潤滑油で満たすことにより、摺動部の潤滑を確保することができる。また、円筒ピストン（５）の軸方向端面（５０）に沿って、貯油室（１０）より低い圧力に維持される微小空間（５１、５３）を貯油室（１０）の外側に形成することで、シリンダ室（８０）内に形成されるポンプ作動室から円筒ピストン（５）の軸方向端面（５０）に沿って漏れる粘度の低い上記流体を微小空間（５１、５３）に集めて、貯油室（１０）への流入を防止することができ、これにより、貯油室（１０）の潤滑油が希釈されて摺動部における油膜形成が阻害されることを防止できる。

貯油室（１０）より低い圧力に維持される微小空間（５１、５３）は、部品数や組付工数の増加を招くことなく、簡単な構成により形成することが可能であり、従って、上記のような貯油室（１０）と微小空間（５１、５３）とを形成することで、簡単な構成より摺動部の潤滑を確実に確保することができる。

微小空間は、請求項２に記載の発明のように、円筒ピストン（５）の軸方向端面（５０）に溝部（５１、５３）として形成することができる。あるいは、請求項３に記載の発明のように、円筒ピストン（５）の軸方向端面（５０）に対して近接および対向して設けられるシリンダ室（８０）の端面部（３０、４０）に溝部（３５、４５）として微小空間を形成することもできる。

微小空間（５１、５３）は、例えば、請求項４に記載の発明のように、円筒ピストン（５）の軸方向端面（５０）に沿って略円状に形成するとよい。このように、円筒ピストン（５）の円形の軸方向端面（５０）に沿って略円状に微小空間（５１、５３）を形成することで、シリンダ室（８０）内においてポンプ作動室から軸方向端面（５０）に沿って漏れる流体を確実に集めて、貯油室（１０）への流入を防ぐことができる。

また、請求項５に記載の発明のように、円筒ピストン（５）の両側の軸方向端面（５０）に沿ってそれぞれ第１空間（５１）と第２空間（５３）とを上記微小空間として形成することで、流体がポンプ作動室から円筒ピストン（５）の両側の軸方向端面（５０）のうちどちらに沿って漏れる場合でも、流体を微小空間（５１、５３）に集めて、貯油室（１０）への流入を防ぐことができる。

円筒ピストン（５）の両側に形成された第１空間（５１）と第２空間（５３）とは、請求項６に記載の発明のように、円筒ピストン（５）に連通孔（５２）を形成して、これにより互いに連通させるとよい。

このように連通させると、例えば、請求項７に記載の発明のように、微小空間（５１、５３）を吸入ポート（４２）に連通させることで微小空間（５１、５３）を貯油室（１０）より低圧に維持する構成とする場合に、第１空間（５１）と第２空間（５３）のいずれか吸入ポート（４２）に近いほうを吸入ポート（４２）に連通させれば、第１空間（５１）と第２空間（５３）との両方を貯油室（１０）より低圧に維持することができる。

以上、微小空間（５１、５３）は、請求項２〜請求項６に記載の発明のように、簡単な構成で、シリンダ室（８０）内においてポンプ作動室から軸方向端面（５０）に沿って漏れる流体を集めることができるように形成することができ、またこのように形成した微小空間（５１、５３）を、請求項７に記載の発明のように、吸入ポート（４２）に連通させることで、簡単な構成により微小空間（５１、５３）を低圧（流体機械の吸入圧）に維持して、微小空間（５１、５３）に集めた流体を吸入ポート（４２）に流出させることを可能にしている。

なお、潤滑油は、請求項８に記載の発明のように、専用の給油ポンプ（６３０）により昇圧して貯油室（１０）に供給するとよい。これによって、貯油室（１０）の圧力を比較的高く維持して、ポンプ作動室から貯油室（１０）への流体の流入をより確実に防ぐことができる。

また、この場合、請求項９に記載の発明のように、駆動軸部（１）を駆動する外部駆動源（３３１）を共用として、この外部駆動源（３３１）により給油ポンプ（６３０）を駆動するようにしてもよい。これにより、潤滑油を貯油室（１０）に供給するための給油機構を、給油ポンプ（６３０）専用の駆動源の無い構成として、簡素化することができる。

本発明は、請求項１０に記載の発明のように、円筒ピストン（５）が駆動軸部（１）の偏心軸部（１１）に保持されて、駆動軸部（１）の回転に伴って円筒ピストン（５）が偏心軸部（１１）上を摺動しながらシリンダ室（８０）内を公転する構成の流体機械に適用して好適である。

このような流体機械においては、流体機械の作動の際には、軸受部（３１、４１）における駆動軸部（１）の摺動に加えて、偏心軸部（１１）において円筒ピストン（５）が摺動するため、流体機械の信頼性を確保するためには、これら摺動部の潤滑を確実なものとする必要がある。そこで、本発明を適用することで、簡単な構成により、摺動部の潤滑を確実に確保することが可能となる。

また、本発明は、例えば、請求項１１に記載の発明のように、加熱器（３１０）、膨張機（３２０）、凝縮器（２２０）が順次接続されて形成されるランキンサイクル（３００）に作動流体を循環させる流体機械のように、比較的高負荷で作動して液体を送出する流体機械に適用して好適である。

このような流体機械では、高負荷で作動するため、摺動部の潤滑を確実に確保することが必要であり、また、そのためには、摺動部を高粘度の潤滑油で満たすと共に、低粘度の液体（作動流体）がポンプ作動室から摺動部に流入しないようにする必要がある。

本発明を適用することで、摺動部を包含するように貯油室（１０）を形成して、ここを潤滑油で満たすと共に、ポンプ作動室から円筒ピストン（５）の軸方向端面（５０）に沿って漏れる液体が貯油室（１０）へ流入することを簡単な構成により防ぐことが可能である。

また、ランキンサイクル（３００）の場合には、請求項１２に記載の発明のように、膨張機（３２０）の出口で作動流体からオイルを分離して、これを給油回路（６００）により凝縮器（２２０）を迂回させて貯油室（１０）に潤滑油として供給するとよい。

このように構成すると、例えば給油回路（６００）に請求項８に記載の発明のような給油ポンプ（６３０）を設けない場合でも、凝縮器（２２０）を経た後の作動流体が流入する流体機械の吸入側に比較して、貯油室（１０）は凝縮器（２２０）における圧力損失分だけ高圧となるため、請求項７に記載の発明のように、円筒ピストン（５）の軸方向端面（５０）に沿って形成された微小空間（５１、５３）を吸入ポート（４２）に連通させることで、微小空間（５１、５３）を貯油室（１０）よりも低圧に維持することができる。

このように、ランキンサイクル（３００）の構成要素おける圧力損失を利用して、より簡単な構成により、摺動部の潤滑を確保することができる。

さらに、請求項１３に記載の発明のように、駆動軸部（１）を駆動する外部駆動源を、ランキンサイクル（３００）の膨張機（３２０）に接続された電動発電機（３２２）とすることで、ランキンサイクル（３００）の構成を簡素化すると共に、駆動軸部（１）を駆動するエネルギを削減することができる。

この場合、例えば、請求項８に記載の発明のように潤滑油を専用の給油ポンプ（６３０）により貯油室（１０）に供給する構成として、請求項９に記載の発明のように、電動発電機（３２２）により駆動軸部（１）と給油ポンプ（６３０）との両方を駆動するように構成することもできる。これにより、潤滑油を貯油室（１０）に供給するための給油機構を簡素化した構成とすることができ、また、給油ポンプ（６３０）を駆動するエネルギを削減することができる。

因みに、上記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一例である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図３に示す。本実施形態は、本発明に係る流体機械を、エンジン１０を駆動源とする車両に搭載されてエンジン１０で発生した廃熱からエネルギを回収する廃熱利用装置１００においてランキンサイクル３００内に冷媒（本発明の作動流体に対応）を循環させる冷媒ポンプ３３０（本発明の流体機械に対応）に適用したものである。

まず、廃熱利用装置１００の全体構成について図１を用いて説明する。廃熱利用装置１００は温水回路２０およびランキンサイクル３００を有しており、その作動が制御装置５００によって制御されるようになっている。

温水回路２０は、エンジン１０を冷却するためのもので、エンジン１０、加熱器３１０、ラジエータ２１、電動式の水ポンプ２２を有して、これらが順次接続されて閉回路を形成している。水ポンプ２２は図示しない電動機によって作動されて、これにより温水回路２０にエンジン冷却水が循環される。

加熱器３１０は、後述するランキンサイクル３００の冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換することにより、冷媒を加熱する。

ラジエータ２１は、エンジン冷却水と外気との間で熱交換してエンジン冷却水を冷却する。温水回路２０にはラジエータ２１を迂回するラジエータバイパス流路２３が設けられており、エンジン冷却水の温度に応じて弁部が開閉するサーモスタット２４によって、ラジエータ２１を流通するエンジン冷却水流量が調節されるようになっている。

なお、温水回路２０のエンジン１０の下流側には、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ７００が配設されており、この水温センサ７００からの温度信号は制御装置５００に入力される。

一方、ランキンサイクル３００は、エンジン１０で発生した廃熱エネルギ（エンジン１０通過後のエンジン冷却水の熱エネルギ）を回収すると共に、この廃熱エネルギを電気エネルギに変換するものである。以下、ランキンサイクル３００について説明する。

ランキンサイクル３００は、上記の加熱器３１０、膨張機３２０、セパレータ２１０、凝縮器２２０、受液器２３０、冷媒ポンプ３３０を有し、これらが順次接続されて閉回路を形成しており、この閉回路に冷媒ポンプ３３０により冷媒が循環される。なお、本実施形態においてはランキンサイクル３００の冷媒としてＨＦＣ１３４ａを用いている。

冷媒ポンプ３３０は、電動機３３１（本発明の外部駆動源に対応）を駆動源とする電動式のポンプであり、電動機３３１の作動は制御装置５００によって制御される。冷媒ポンプ３３０の詳細な構成については後述する。

加熱器３１０は、上記のように、冷媒ポンプ３３０から送られる冷媒と温水回路２０を流通するエンジン冷却水（温水）との間で熱交換することにより冷媒を加熱して、過熱蒸気冷媒を生成する熱交換器である。上記のように、温水回路２０においてエンジン冷却水はエンジン１０を通過した後に加熱器３１０に流入するようになっており、従って、加熱器３１０に流入するエンジン冷却水はエンジン１０の廃熱を伴って高温となっている。

膨張機３２０は、加熱器３１０で生成された過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動力を発生させる流体機械である。膨張機３２０には発電機３２１が接続されており、膨張機３２０の駆動力によって発電機３２１が作動され、発電機３２１によって発電される電力は、制御回路４１０を介してバッテリ４００に充電されるようになっている。

セパレータ２１０は、膨張機３２０の出口において気相冷媒からオイルを分離するものである。詳細は後述するが、セパレータ２１０で分離されたオイルは、給油回路６００を介して冷媒ポンプ３３０に供給されて、冷媒ポンプ３３０内部の潤滑油として用いられる。

凝縮器２２０は、膨張機３２０出口からセパレータ２１０を介して供給される気相冷媒を外気との熱交換によって冷却して、凝縮液化する熱交換器である。

受液器２３０は、凝縮器２２０で凝縮された冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を流出させるレシーバである。

制御装置５００は、ランキンサイクル３００の作動を制御するなど、廃熱利用装置１００の総合的な制御を行う。制御装置５００には、上記制御回路４１０が接続されて相互に制御信号が授受されるようになっており、また、上述のように水温センサ７００からの冷却水温度信号が入力される。

つぎに、上記冷媒ポンプ３３０の詳細な構成について図２および図３を用いて説明する。図２は冷媒ポンプ３３０内部の構成を示す断面図であり、図３は図２中にＩＩＩ−ＩＩＩで示す位置における断面図である。

冷媒ポンプ３３０は、所謂ローリングピストン型のポンプであって、内部にシリンダ室８０を形成する扁平円筒状のシリンダ８、シリンダ室８０に配設される円筒ピストン５、円筒ピストン５を駆動する駆動軸部であるシャフト１を有して構成されている。

シリンダ８の両端には、シリンダ８を挟み込むようにフロントハウジング３とリアハウジング４とが配設されて、シリンダ室８０の両端壁３０、４０（本発明の端面部に対応）を形成している。また、リアハウジング４の反シリンダ８側端部にはリアプレート７が配設されて、これによって吐出室７０が形成されている。

シリンダ８には、その中心部に上記のシリンダ室８０が穿設されている。円筒ピストン５は、扁平円筒状で、その外径がシリンダ８の内径より小さく設定されてシリンダ室８０内に挿入されている。

シャフト１は、フロントハウジング３とリアハウジング４にそれぞれ固定された軸受部３１、４１に回転可能に支持されており、上記電動機３３１に接続されて、これにより回転される。シャフト１は、このシャフト１に対して偏心した円形のクランク部１１（本発明の偏心軸部に対応）を有し、このクランク部１１の外周に円筒ピストン５が摺動可能に装着されている。これにより、シャフト１の回転に伴って、円筒ピストン５がシリンダ室８０内を公転するようになっている。

なお、シャフト１の周囲には、冷媒ポンプ３３０が作動する際の摺動部であるクランク部１１と円筒ピストン５との間の摺接面および軸受部３１、４１を包含するようにして、フロントハウジング３からリアハウジング４にまで到る空間が形成されており、本実施形態においては、この空間を潤滑油で満たして、貯油室１０としている。貯油室１０およびそれに関連する構成の詳細については後述する。

円筒ピストン５の外周部には、図３に示すように、円筒ピストン５の半径方向に摺動可能として、円筒ピストン５に当接するベーン１４が設けられている。ベーン１４はシリンダ８に形成された受入溝８５に保持されており、受入溝８５内にはベーン１４を円筒ピストン５の中心側に向けて付勢するバネ１５が配設されている。

これにより、ベーン１４は、円筒ピストン５の公転に伴って受入溝８５内を摺動し、円筒ピストン５の外周面に常に当接するように維持されて、シリンダ室８０を吸入側空間と吐出側空間とに区画する。このようにして、シリンダ室８０内に、円筒ピストン５の外周面およびシリンダ８の内周面とベーン１４とによってポンプ作動室が形成される。

シリンダ８には、ベーン１４に近接して、このベーン１４を挟むように、シリンダ室８０に連通する吸入通路８１、および吐出通路８２が形成されている。

リアハウジング４には、受液器２３０からの冷媒を冷媒ポンプ３３０内に吸入するための吸入ポート４２が形成されており、この吸入ポート４２は、図２に示すように、シリンダ８の吸入通路８１に連通している。これにより、吸入ポート４２から吸入された冷媒は吸入通路８１を通ってシリンダ室８０に流入するようになっている。

また、シリンダ８の吐出通路８２はリアハウジング４に形成された連通路（図示せず）を介して吐出室７０に連通しており、吐出通路８２および連通路に連通した吐出室７０内の開口部には逆止弁１７が設けられている。

吐出室７０は、シリンダ室８０から吐出される冷媒の脈動を平滑化する機能を有するもので、吐出室７０の反リアハウジング４側端面には、冷媒を加熱器３１０に向けて吐出するための吐出ポート７１が設けられている。

つぎに、貯油室１０およびそれに関連する構成の詳細について説明する。貯油室１０は、上記のように冷媒ポンプ３３０の摺動部を包含するようにシャフト１の周囲に形成されており、シャフト１の電動機３３１接続側において、貯油室１０端部は、シャフト１外周面とフロントハウジング３との間に配設されたシール材１２によりシールされている。

フロントハウジング３には外部から貯油室１０に潤滑油を供給するための給油ポート３２が形成されている。潤滑油は、摺動部であるクランク部１１と円筒ピストン５との間の摺接面および軸受部３１、４１を潤滑するためのもので、本実施形態においては、上述のようにランキンサイクル３００の膨張機３２０出口に設けられたセパレータ２１０において冷媒から分離されたオイルが、給油回路６００を介して冷媒ポンプ３３０に直接運ばれて、潤滑油として給油ポート３２から貯油室１０に供給される。

円筒ピストン５の軸方向両端面５０（本発明の軸方向端面に対応）には、図２および図３に示すように、円形の溝５１、５３が形成されており、これらの溝５１、５３は貯油室１０の外側となるように、その円形の半径が設定されている。なお、本実施形態における円筒ピストン５のフロントハウジング３側端面５０の溝５１は、本発明の微小空間、溝部、および第１空間に対応しており、リアハウジング４側端面５０の溝５３は、本発明の微小空間、溝部および第２空間に対応している。

円筒ピストン５において、両端面５０の溝５１、５３の間は、円筒ピストン５を軸方向に対して平行に貫通するように形成された連通孔５２によって連通されている。

リアハウジング４には、円筒ピストン５の溝５１、５３に対応した位置に迂回通路４３が形成されており、この迂回通路４３は、円筒ピストン５のリアハウジング４側端面５０の溝５３と吸入ポート４２との間を連通している。これにより、円筒ピストン５両端面５０の溝５１、５３は、吸入ポート４２と同等の圧力（ポンプ吸入圧）に維持される。

ここで、吸入ポート４２には、ランキンサイクル３００の膨張機３２０出口のセパレータ２１０から凝縮器２２０および受液器２３０を経て冷媒が供給されるのに対して、貯油室１０には、上記のように、セパレータ２１０から分離されたオイルが給油回路６００により直接供給されるため、貯油室１０は吸入ポート４２（ポンプ吸入圧）に比較して、凝縮器２２０および受液器２３０における圧力損失の分だけ圧力が高くなっている。

なお、本実施形態においては、上記溝５１、５３の大きさを、幅が約２．５ｍｍ、深さが約１ｍｍとしており、連通孔５２はその断面が直径１ｍｍほどとしている。また、冷媒ポンプ３３０は鉄製としており、鋳造あるいは切削などにより製造される。

つぎに、本廃熱利用装置１００の作動（制御装置５００による制御）について説明する。制御装置５００は、水温センサ７００により検出したエンジン冷却水の温度が所定温度以上であると判定したときには、エンジン１０から得られる廃熱が充分であることにより加熱器３１０に流入するエンジン冷却水温度が充分高温であるとして、ランキンサイクル３００を稼動させる。具体的には電動機３３１を作動させることにより冷媒ポンプ３３０を作動させる。

ランキンサイクル３００を稼動させると、冷媒ポンプ３３０によって受液器２３０の液冷媒が昇圧されて加熱器３１０に送られ、加熱器３１０においてエンジン１０からの廃熱を伴った高温のエンジン冷却水によって液冷媒は加熱され、過熱蒸気冷媒となって膨張機３２０に送られる。膨張機３２０において過熱蒸気冷媒は等エントロピー的に膨張減圧され、その熱エネルギと圧力エネルギの一部が回転駆動力に変換される。膨張機３２０で取り出された回転駆動力によって発電機３２１が作動され、発電機３２１は発電する。そして、発電機３２１によって得られた電力は、制御回路４１０を介してバッテリ４００に充電され、各種補機の作動に使用される。なお、膨張機３２０で減圧された冷媒は、セパレータ２１０でオイルが分離された後、凝縮器２２０で凝縮され、受液器２３０で気液分離され、再び冷媒ポンプ３３０へ吸引される。

一方、エンジン冷却水の温度が上記所定温度未満であると判定したときには、電動機３３１を停止させることにより冷媒ポンプ３３０を停止させ、これによりランキンサイクル３００を停止させる。なお、上記所定温度に基づくエンジン冷却水温度の判定には適当なヒステリシスを設けて、ランキンサイクル３００のＯＮ−ＯＦＦのハンチングを防ぐようにしている。

ランキンサイクル３００の稼働中には、冷媒ポンプ３３０は、電動機３３１によってシャフト１が回転されることにより作動して、円筒ピストン５がクランク部１１上で摺動しながらシリンダ室８０内を公転し、これによって吸入ポート４２から吸入通路８１を介してシリンダ室８０（ポンプ作動室）に吸入された冷媒が昇圧されて、吐出通路８２、逆止弁１７、吐出室７０を経て吐出ポート７１から加熱器３１０に向けて吐出される。

このとき、シリンダ室８０内において、ポンプ作動室から円筒ピストン５の端面５０とフロントハウジング３、リアハウジング４との間の隙間に漏れた冷媒は、貯油室１０に流入することなく、ポンプ吸入圧（低圧）となっている溝５１、５３に集められて迂回通路４３に導かれ、吸入ポート４２に戻される。

また、貯油室１０から円筒ピストン５の端面５０とフロントハウジング３、リアハウジング４との間の隙間に漏れた潤滑油も、その一部はポンプ作動室に到ることなく、溝５１、５３から迂回通路４３を経て吸入ポート４２に流出される。

以上のように、本実施形態においては、冷媒ポンプ３３０の摺動部を包含するように貯油室１０を形成して、ここを潤滑油で満たすことにより、摺動部の潤滑を確保している。また、貯油室１０をポンプ吸入圧より高い圧力に維持すると共に、貯油室１０の外側で円筒ピストン５の端面５０にポンプ吸入圧に維持される溝５１、５３を設けることで、ポンプ作動室から低粘度である冷媒が貯油室１０に流入することを防止し、これにより、潤滑油が希釈されて摺動部における油膜形成が阻害されることを防止している。

このように、本実施形態においては、従来のポンプに対して、円筒ピストン５に溝５１、５３および連通孔５２を、リアハウジング４に迂回通路４３を設けて、部品数および組付工数の増加を招くことなく、比較的簡単な構成により摺動部の潤滑を確保している。摺動部の潤滑を確実に確保することで、冷媒ポンプ３３０の信頼性が向上し、また、機械損失が低減することで冷媒ポンプ３３０の効率が向上する。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図４に示す。上記第１実施形態では冷媒ポンプ３３０の円筒ピストン５に溝５１、５３を設けたのに対して、本実施形態では冷媒ポンプ３４０（本発明の流体機械に対応）のフロントハウジング３およびリアハウジング４に溝３５、４５を設けている。なお、本実施形態におけるフロントハウジング３の溝３５は、本発明の微小空間、溝部、および第１空間に対応しており、リアハウジング４の溝４５は、本発明の微小空間、溝部および第２空間に対応している。

円筒ピストン５には、上記第１実施形態と同様に、軸方向に対して平行に貫通する連通孔５２が形成されている。そして、円筒ピストン５の端面５０に近接および対向するようにフロントハウジング３およびリアハウジング４の端面により形成される端壁３０、４０には、上記連通孔５２に対応する位置に円形の溝３５、４５がそれぞれ形成されており、これらの溝３５、４５の間は上記連通孔５２によってつながっている。

リアハウジング４には、溝４５と吸入ポート４２との間をつなぐように、上記第１実施形態と同様の迂回通路４３が形成されている。これにより、フロントハウジング３およびリアハウジング４の溝３５、４５は、吸入ポート４２と同等の圧力（ポンプ吸入圧）に維持される。

なお、本実施形態における冷媒ポンプ３４０の上記以外の構成および作動、廃熱利用装置１００の構成および作動については上記第１実施形態と同様であり、ランキンサイクル３００の膨張機３２０出口に設けられたセパレータ２１０において冷媒から分離したオイルを、給油回路６００を介して、冷媒ポンプ３４０の給油ポート３２から貯油室１０に潤滑油として供給している。

これにより、貯油室１０は、セパレータ２１０から凝縮器２２０および受液器２３０を経た後の冷媒が供給される吸入ポート４２（ポンプ吸入圧）に比較して、凝縮器２２０および受液器２３０における圧力損失の分だけ圧力が高くなっている。

以上のように、本実施形態においては、冷媒ポンプ３４０の摺動部を包含するように形成した貯油室１０に潤滑油を充満し、この貯油室１０をポンプ吸入圧より高い圧力に維持すると共に、シリンダ室８０の端壁３０、４０にポンプ吸入圧に維持される溝３５、４５を設けることで、簡単な構成により摺動部の潤滑を確保している。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図５に示す。本実施形態では、上記第１実施形態と同様の廃熱利用装置１００に対して、ランキンサイクル３００の給油回路６００に専用の給油ポンプ６３０を追加して設けている。

給油ポンプ６３０は、電動機６３１を駆動源とする電動式のポンプであり、電動機６３１の作動は制御装置５００によって制御される。ランキンサイクル３００を稼動させるときには、電動機６３１を作動させることにより給油ポンプ６３０が作動されて、これにより、セパレータ２１０において冷媒から分離されたオイルが昇圧されて、冷媒ポンプ３３０の給油ポート３２から貯油室１０に供給される。

なお、本実施形態における廃熱利用装置１００の上記以外の構成および作動、冷媒ポンプ３３０の構成および作動については、上記第１実施形態と同様である。

以上のように、本実施形態においては、給油回路６００に給油ポンプ６３０を設けることで、上記第１実施形態に比較して、貯油室１０の圧力をより高く維持して、ポンプ吸入圧に維持される円筒ピストン５端面５０の溝５１、５３と貯油室１０との圧力差を大きくしている。これにより、ポンプ作動室から低粘度の冷媒が貯油室１０に流入することを確実に防いで、摺動部の潤滑をより確実なものとしている。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図６に示す。上記第３実施形態では給油ポンプ６３０の駆動源を専用の電動機６３１としたが、これに対して、本実施形態では、ランキンサイクル３００に冷媒を循環させる冷媒ポンプ３３０と駆動源を共用として、冷媒ポンプ３３０を駆動する電動機３３１により給油ポンプ６３０を駆動している。

なお、本実施形態における廃熱利用装置１００の上記以外の構成および作動、冷媒ポンプ３３０の構成および作動については、上記第３実施形態と同様である。

以上のように、本実施形態においては、ランキンサイクル３００の冷媒ポンプ３３０と給油回路６００の給油ポンプ６３０とで、駆動源である電動機３３１を共用とすることで、上記第３実施形態に比較して構成を簡素化している。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図７に示す。上記第４実施形態においては、ランキンサイクル３００の冷媒ポンプ３３０および給油回路６００の給油ポンプ６３０は電動機３３１を駆動源とする構成であったが、これに対して、本実施形態においては、膨張機３２０に接続する発電機を電動機の機能も兼ね備えた電動発電機３２２（本発明の外部駆動源に対応）とし、この電動発電機３２２の膨張機３２０接続側と反対側に冷媒ポンプ３３０および給油ポンプ６３０を接続して、電動発電機３２２を電動機として作動させることにより冷媒ポンプ３３０および給油ポンプ６３０を駆動する構成としている。

電動発電機３２２の作動は、制御装置５００により制御回路４１０を介して制御される。制御装置５００は、ランキンサイクル３００を稼動させる際には、まず、電動発電機３２２を電動機として作動させて、冷媒ポンプ３３０および給油ポンプ６３０を駆動する。

そして、エンジン１０からの廃熱が充分に得られ、膨張機３２０での駆動力が冷媒ポンプ３３０および給油ポンプ６３０の動力を上回ったら、電動発電機３２２を発電機として作動させ、発電を行う。

なお、本実施形態における廃熱利用装置１００の上記以外の構成および作動、冷媒ポンプ３３０の構成および作動については、上記第４実施形態と同様である。

以上のように、本実施形態においては、ランキンサイクル３００の冷媒ポンプ３３０および給油回路６００の給油ポンプ６３０の駆動源を膨張機３２０に接続された電動発電機３２２とすることで、上記第４実施形態に比較して、さらに構成を簡素化すると共に、冷媒ポンプ３３０および給油ポンプ６３０駆動用のエネルギを削減している。

（その他の実施形態）
上記第３、第４、第５実施形態では、ランキンサイクル３００の冷媒ポンプ３３０を、上記第１実施形態と同様の構成のものとしたが、上記第２実施形態と同様の構成の冷媒ポンプ３４０としてもよい。

上記各実施形態では、冷媒ポンプ３３０、３４０において、円筒ピストン５の端面５０あるいはシリンダ室８０の端壁３０、４０に溝５１、５３、３５、４５を円形に形成したが、溝５１、５３、３５、４５の形状はこれに限らず、ポンプ作動室から端面５０と端壁３０、４０との隙間にどの方向から漏れた冷媒も受け取ることができるような形状であればよく、例えば楕円形であってもよい。

上記各実施形態においては、フロントハウジング３側の軸受部３１とリアハウジング４側の軸受部４１との両方を包含するように貯油室１０を形成したが、これに代えて、フロントハウジング３側の軸受部３１を貯油室１０に含めないような構成としてもよい。この場合、貯油室１０は、クランク部１１と円筒ピストン５との摺接面およびリアハウジング４側の軸受部４１を包含するように形成されて、円筒ピストン５とフロントハウジング３側軸受部３１との間の位置においてシャフト１の外周に沿ってシールされる。

上記各実施形態においては、ローリングピストン型のポンプに本発明を適用したが、これに限らず、例えば、シリンダ室８０を吸入側空間と吐出側空間とに区画する上記ベーン１４に代えて揺動ピストンを備えるキニー型ポンプ、円筒ピストンと共に回転する翼板を備えるベーン型ポンプなど、各種ロータリーポンプに本発明を適用することができる。また、ポンプ以外に、ロータリー圧縮機に本発明を適用することもできる。

上記各実施形態において、ランキンサイクル３００は、冷凍サイクルと凝縮器２２０および受液器２３０を共有して構成されていてもよい。

上記各実施形態においては、車両に搭載される廃熱利用装置１００のランキンサイクル３００において冷媒を循環させる冷媒ポンプ３３０、３４０に本発明を適用したが、廃熱利用装置１００は車両に搭載されるものに限定されるものではない。また、加熱器３１０に廃熱を与えるものとしては、エンジン（内燃機関）１０に限らず、作動時に発熱を伴い、温度制御のためにその熱の一部を捨てるもの（廃熱が発生するもの）であればよく、例えば、外燃機関、燃料電池車両の燃料電池スタック、各種モータ、インバータなどであってもよい。いずれの場合も、加熱器３１０に対する加熱源は、廃熱機器を冷却する冷却用流体となる。

上記各実施形態においては、冷媒ポンプ３３０の外部から給油ポート３２を介して潤滑油を貯油室１０供給する構成であったが、これに代えて、流体機械（ポンプあるいは圧縮機）のハウジング内に設けた油溜めから潤滑油を貯油室１０に供給する構成としてもよく、この場合、例えば、吐出側において分離したオイルをハウジング内の油溜めに溜めて、これを専用のポンプ要素などにより貯油室１０に供給する構成とすることができる。

本発明は、上記各実施形態におけるランキンサイクル３００の冷媒ポンプ３３０，３４０のように、比較的高負荷で作動して液体を送出する流体機械に適用して好適であり、ランキンサイクル３００の冷媒ポンプ３３０以外にも、例えば、夜間電力を利用して蓄熱槽に氷または温水を蓄えて昼間の冷暖房に利用する蓄熱式空調システムにおいて冷凍サイクルに冷媒を循環させる冷媒ポンプに本発明を適用することもできる。

第１実施形態における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。 第１実施形態における冷媒ポンプの詳細構成を示す断面図である。 図２中にＩＩＩ−ＩＩＩで示す位置における断面図である。 第２実施形態における冷媒ポンプの詳細構成を示す断面図である。 第３実施形態における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。 第４実施形態における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。 第５実施形態における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１ シャフト（駆動軸部）
５ 円筒ピストン
８ シリンダ
１０ 貯油室
１１ クランク部（偏心軸部）
３０ 端壁（端面部）
３１ 軸受部
３５ 溝（微小空間、溝部、第１空間）
４０ 端壁（端面部）
４１ 軸受部
４２ 吸入ポート
４５ 溝（微小空間、溝部、第２空間）
５０ 端面（軸方向端面）
５１ 溝（微小空間、溝部、第１空間）
５２ 連通孔
５３ 溝（微小空間、溝部、第２空間）
８０ シリンダ室
２２０ 凝縮器
３００ ランキンサイクル
３１０ 加熱器
３２０ 膨張機
３２２ 電動発電機（外部駆動源）
３３０ 冷媒ポンプ（流体機械）
３３１ 電動機（外部駆動源）
３４０ 冷媒ポンプ（流体機械）
６００ 給油回路
６３０ 給油ポンプ

Claims (13)

1. シリンダ室（８０）を形成する扁平円筒状のシリンダ（８）と、
   前記シリンダ室（８０）に配設される円筒ピストン（５）と、
   前記円筒ピストン（５）の中心部に嵌通されて、外部駆動源（３３１）により回転される駆動軸部（１）と、
   前記駆動軸部（１）を回転可能に保持する軸受部（３１、４１）とを備え、
   前記駆動軸部（１）の回転により前記円筒ピストン（５）が前記シリンダ室（８０）内で作動されて、前記シリンダ室（８０）内に吸入した流体を昇圧して吐出する流体機械において、
   前記駆動軸部（１）が前記円筒ピストン（５）および前記軸受部（３１，４１）と接触する部分を包含するように前記駆動軸部（１）の周囲に、前記流体より高粘度の潤滑油が充満される貯油室（１０）が形成されており、
   前記貯油室（１０）より低い圧力に維持される微小空間（５１、５３）が、前記円筒ピストン（５）の軸方向端面（５０）に沿って前記貯油室（１０）の外側に形成されていることを特徴とする流体機械。
2. 前記微小空間は、前記軸方向端面（５０）に形成された溝部（５１、５３）であることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 前記軸方向端面（５０）に近接および対向して、前記シリンダ室（８０）の端部を封止する端面部（３０、４０）を備え、
   前記微小空間は、前記端面部（３０、４０）に形成された溝部（３５、４５）であることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
4. 前記微小空間（５１、５３）は、前記軸方向端面（５０）に沿って略円状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体機械。
5. 前記微小空間は、前記円筒ピストン（５）の前記軸方向両側にそれぞれ形成されている第１空間（５１）と第２空間（５３）とを有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の流体機械。
6. 前記第１空間（５１）と前記第２空間（５３）との間を所定の位置で連通させるように、前記円筒ピストン（５）を前記軸方向に沿って貫通する連通孔（５２）が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の流体機械。
7. 前記流体を外部から前記シリンダ室（８０）に吸入する吸入ポート（４２）を備え、
   前記微小空間（５１、５３）は前記吸入ポート（４２）に連通されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の流体機械。
8. 前記潤滑油は、専用の給油ポンプ（６３０）により昇圧されて前記貯油室（１０）に供給されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の流体機械。
9. 前記給油ポンプ（６３０）は、前記外部駆動源（３３１）を共用して駆動されることを特徴とする請求項８に記載の流体機械。
10. 前記駆動軸部（１）は偏心軸部（１１）を有し、
    前記円筒ピストン（５）は、前記偏心軸部（１１）に摺動可能に嵌合されて、前記駆動軸部（１）の回転に伴って前記偏心軸部（１１）上を摺動しながら前記シリンダ室（８０）内を公転することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の流体機械。
11. 前記流体は、加熱器（３１０）、膨張機（３２０）、凝縮器（２２０）が順次接続されて形成されるランキンサイクル（３００）に流通される作動流体であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の流体機械。
12. 前記膨張機（３２０）の出口で前記作動流体から分離されたオイルが、前記凝縮器（２２０）を迂回した給油回路（６００）を介して前記潤滑油として前記貯油室（１０）に供給されることを特徴とする請求項１１に記載の流体機械。
13. 前記外部駆動源は、前記膨張機（３２０）に接続された電動発電機（３２２）であることを特徴とする請求１１または１２に記載の流体機械。

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