JP2015200305A - 液体用ポンプ及びランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体とともに気体が導かれても構成部品の損傷を抑制できる、高い信頼性を有する液体用ポンプを提供する。【解決手段】本開示の液体用ポンプ１ｃは、容器１０と、供給管２１と、ポンプ機構１２と、吸入空間１９と、吐出空間１８とを備える。供給管２１は、容器１０の外部から容器１０の内部へ液体を導く。ポンプ機構１２は、容器１０の内部に配置され、吸入孔２２及び吐出孔２３を有する。吸入空間１９は、供給管２１が形成する流路と吸入孔２２とを連通させる。吸入空間１９は、鉛直方向において、供給管２１の容器１０側の端２１ｅが形成する開口の中心２１ｃよりも上方に位置し、液体とともに供給管２１を通って導かれる気体を滞留させる気体滞留エリア１９ｃを有する。【選択図】図１

Description

本開示は、液体用ポンプ及びこの液体用ポンプを備えたランキンサイクル装置に関する。

昨今、太陽光などの自然エネルギー又は各種排熱を利用するエネルギーシステムが注目されている。そのようなエネルギーシステムの一つは、ランキンサイクルを有するシステムである。ランキンサイクルを有するシステムは、一般に、高温高圧の作動流体で膨張機を動作させ、膨張機によって作動流体から取り出した動力によって発電を行う。高温高圧の作動流体は、ポンプ及び熱源（太陽熱、地熱、自動車の排熱などの熱源）によって生成される。

図９に示すように、特許文献１には、発電装置３００が記載されている。発電装置３００は、ポンプ３０１と、蒸発器３０２と、膨張機３０３と、凝縮器３０４とが設けられた循環流路３０６を備える。膨張機３０３は、蒸発器３０２で蒸発した作動媒体を膨張させることによって作動媒体から運動エネルギーを取り出す。膨張機３０３には、発電機３０５が接続されており、発電機３０５が膨張機３０３によって駆動される。液体の作動媒体が、ポンプ３０１によって所定の圧力まで加圧され、蒸発器３０２に送出される。

凝縮器３０４とポンプ３０１との間の循環流路３０６には、圧力センサ３１１及び温度センサ３１２が設けられている。圧力センサ３１１は、ポンプ３０１の入り口側の作動媒体の圧力Ｐｓを検出する。温度センサ３１２は、ポンプ３０１の入り口側の作動媒体の温度Ｔｓを検出する。温度センサ３１２の検出値からポンプ３０１入り口における作動媒体の飽和蒸気圧力が導出される。この導出された飽和蒸気圧と圧力センサ３１１によって検出された作動媒体の圧力とから両者の差（差圧）が求められ、この差圧に応じてポンプ３０１の出力が調整される。これにより、ポンプ３０１でのキャビテーションの発生を抑制できる。

図１０に示すように、特許文献２には、冷媒ポンプ５００が記載されている。冷媒ポンプ５００は、密閉容器５１０、電動機部５１１、ポンプ機構部５１２、駆動軸５１３、吸入板５１６、吸入管５２１、及び吐出管５２０を備える。電動機部５１１は、固定子５１１ａ及び回転子５１１ｂを有する。固定子５１１ａは、密閉容器５１０の外側に取り付けられており、回転子５１１ｂは、密閉容器５１０の内側に配置されている。吸入板５１６の吸入管５２１の入口近辺には吸入板５１６の一部を切り欠いた切り欠き部５１９が形成されている。これにより、冷媒の吸入通路が確保されている。

特開２０１２−２０２３７４号公報 特開２００４−３４６８２０号公報

特許文献１の発電装置３００のポンプ３０１は、信頼性を向上させる余地を有している。本開示は、液体とともに気体が導かれても構成部品の損傷を抑制できる、高い信頼性を有する液体用ポンプを提供する。

本開示は、
容器と、
前記容器の外部から前記容器の内部へ液体を導くための供給管と、
前記容器の内部に配置され、前記液体を吸入するための吸入孔及び前記吸入孔を通って吸入された前記液体を吐出するための吐出孔を有するポンプ機構と、
前記吸入孔の入口側で前記容器の内部に位置し、前記供給管が形成する流路と前記吸入孔とを連通させる吸入空間と、
前記吐出孔の出口側で前記容器の内部に位置し、前記吐出孔に連通している吐出空間と、を備え、前記吸入空間は、鉛直方向において、前記供給管の前記容器側の端が形成する開口の中心よりも上方に位置し、前記液体とともに前記供給管を通って導かれる気体を前記液体と分離するために前記気体を滞留させる気体滞留エリアを有する、
液体用ポンプを提供する。

本開示の液体用ポンプは、液体とともに気体が導かれても構成部品の損傷を抑制でき、高い信頼性を有する。

本開示の一例に係る液体用ポンプの縦断面図 図１に示す液体用ポンプのII−II線に沿った横断面図 図１に示す液体用ポンプのIII−III線に沿った横断面図 本開示の一例に係るランキンサイクル装置の構成図 第１変形例に係る液体用ポンプの縦断面図 図５に示す液体用ポンプのVI−VI線に沿った横断面図 第２変形例に係る液体用ポンプの縦断面図 図７に示すVIII−VIII線に沿った横断面図 従来の発電装置の構成図 従来の冷媒ポンプの縦断面図

上記従来の技術では、発電装置３００において、凝縮器３０４によって凝縮した液体の作動媒体がポンプ３０１に吸入される。発電装置３００のようなランキンサイクルを有するシステムにおけるポンプには、ギヤポンプ及びロータリポンプなどの容積型ポンプ又は遠心ポンプなどの速度型ポンプが多く利用されている。ポンプの内部を流れる作動流体にキャビテーションが発生すると、ポンプの内部の主要な部品に損傷が生じる。

キャビテーションは、流体機械において、その流体機械の内部を流れる液体の作動流体の圧力が局部的に飽和蒸気圧に達することにより作動流体が沸騰して小さな気泡が発生する現象である。この気泡が潰れるときの衝撃圧により流体機械の構成部品にエロージョン（壊食）が発生する。例えば、流体機械が速度型の流体機械であれば、インペラ（羽根車）などの主要部品に損傷が生じる。

また、凝縮器で凝縮した作動流体が、配管による作動流体の流れの圧力損失に伴う圧力低下又は受熱による温度上昇などが原因で、ポンプに吸入される前に液体状態から気液二相状態に変化する可能性がある。この場合、液体とともに気体がポンプに導かれるので、流体機械でキャビテーションが発生する場合と同様に、ポンプの構成部品に損傷が発生する可能性がある。また、ポンプに導かれる作動流体に気体が混入することによりポンプからの作動流体の吐出量が変動する。このため、ランキンサイクルにおける作動流体の循環量の変動又は作動流体の圧力の変動が生じる。その結果、膨張機で回収した動力による発電の出力が不安定になり、又は、配管の振動が発生する可能性がある。

発電装置３００によれば、圧力センサ３１１及び温度センサ３１２の出力値に基づいてポンプ３０１の回転数が制御されている。これにより、ポンプ３０１に吸入される作動媒体を液体状態に維持し、キャビテーション又は気液二相状態の作動媒体の吸入を防止している。しかし、発電装置３００では、ポンプ３０１の回転数を変動させてから、ポンプ３０１の入口における作動媒体の状態が変動するまでの応答時間に遅れが生じる可能性がある。このため、蒸発器３０２における熱源の温度又は熱源の熱量の変化及び凝縮器３０４における放熱温度又は放熱量の変化などのサイクル変動が生じときにポンプ３０１に気液二相状態の作動媒体が流入する可能性がある。また、発電装置３００の起動運転中などのサイクルが過渡期の状態にあるときにもポンプ３０１に気液二相状態の作動媒体が流入する可能性がある。また、圧力センサ３１１及び温度センサ３１２が必要なので、装置の構造が複雑になり、装置の製造コストが高い。

冷媒ポンプ５００においては、切り欠き部５１９によって冷媒の吸入通路が確保されているのみである。

本開示の第１態様は、
容器と、
前記容器の外部から前記容器の内部へ液体を導くための供給管と、
前記容器の内部に配置され、前記液体を吸入するための吸入孔及び前記吸入孔を通って吸入された前記液体を吐出するための吐出孔を有するポンプ機構と、
前記吸入孔の入口側で前記容器の内部に位置し、前記供給管が形成する流路と前記吸入孔とを連通させる吸入空間と、
前記吐出孔の出口側で前記容器の内部に位置し、前記吐出孔に連通している吐出空間と、を備え、
前記吸入空間は、鉛直方向において、前記供給管の前記容器側の端が形成する開口の中心よりも上方に位置し、前記液体とともに前記供給管を通って導かれる気体を前記液体と分離するために前記気体を滞留させる気体滞留エリアを有する、
液体用ポンプを提供する。

第１態様によれば、供給管を通って液体とともに気体が導かれても、吸入空間における気体滞留エリアにおいて気体が滞留することにより液体から気体が分離され、液体のみが吸入孔の入口に到達しやすい。また、供給管の容器側の端と吸入孔の入口との位置関係が上記のように設定されていることにより、吸入孔の入口への気体の到達が困難になっている。また、この場合、気体滞留エリアは、前記供給管から流入する前記液体の流れに影響を与えない（隔離されている）。これにより、液体とともに気体が導かれても、ポンプ機構への気体の流入が妨げられるので、ポンプ機構の構成部品の損傷を抑制できる。また、第１態様の液体用ポンプが吸入空間及び吐出空間を備えることにより、ポンプ機構における液体の吸入又は液体の吐出に伴う脈動が液体用ポンプの外部に伝播することを抑制できる。

本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記供給管の前記容器側の端は、鉛直方向において、前記吸入孔の入口の高さ又は前記吸入孔の入口より上方に位置する、液体用ポンプを提供する。第２態様によれば、供給管の容器側の端と吸入孔の入口との位置関係が上記のように設定されていることにより、吸入孔の入口への気体の到達がより困難になっている。このため、液体とともに気体が導かれても、ポンプ機構への気体の流入がより妨げられるので、ポンプ機構の構成部品の損傷を抑制できる。

本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加えて、前記容器の内周面は、空間を形成するための部分として、前記吸入空間を形成するための部分及び前記吐出空間を形成するための部分のみを有する、液体用ポンプを提供する。第３態様によれば、容器の内部における吸入空間及び吐出空間の容積が大きくなる。このため、ポンプ機構における液体の吸入又は液体の吐出に伴う脈動が液体用ポンプの外部に伝播することをさらに抑制できる。また、気体滞留エリアを広くとることも可能なので、より多くの気体を滞留させることができる。

本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、シャフトをさらに備え、前記ポンプ機構は、前記シャフトの回転によって、前記液体が前記吸入孔を通って前記ポンプ機構に吸入され、かつ前記吐出孔を通って前記ポンプ機構から吐出されるように、構成されている、液体用ポンプを提供する。第４態様によれば、シャフトの回転数を制御することによって液体の流量を調整できる。これにより、液体の流量の細かな調整が可能である。液体用ポンプに吸入される液体の圧力又は温度に応じて液体の流量を調整することによって、液体とともに気体がポンプ機構へ吸入されることを抑制できる。

本開示の第５態様は、第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様に加えて、前記開口の中心と、前記吸入孔の入口の中心とを結ぶ線分上に配置された所定の部材をさらに備えた、液体用ポンプを提供する。第５態様によれば、吸入空間が所定の部材を避けて形成されるので、供給管を通って容器の内部に流入した液体が供給管とポンプ機構の吸入孔を直線で結んだ最短距離の経路を通ってポンプ機構の吸入孔に流入することを抑制できる。これにより、液体とともに気体がポンプ機構へ吸入されることをさらに抑制できる。

本開示の第６態様は、第１態様〜第５態様にいずれか１つの態様に加えて、前記吸入空間を、前記供給管の前記容器側の端に接する上部空間と前記吸入孔の入口に接する下部空間とに仕切る仕切部材をさらに備えた、液体用ポンプを提供する。第６態様によれば、供給管を通って容器の内部に流入した液体が仕切部材を通過してポンプ機構の吸入孔へ流れるので、液体とともに気体がポンプ機構へ吸入されることをさらに抑制できる。

本開示の第７態様は、第１態様〜第６態様にいずれか１つの態様に加えて、前記供給管は、前記供給管の中心軸線を前記容器の内部に延長した直線と、前記吸入孔の入口の中心を通り前記吸入孔の入口と直交する直線とが異なる平面に含まれるように、配置されている、液体用ポンプを提供する。第７態様によれば、供給管を通って容器内に導かれた液体がポンプ機構の吸入孔に至るまでに通過する経路が長いので、吸入空間において気体を液体から分離するための期間を長く確保できる。このため、液体とともに気体がポンプ機構へ吸入されることをさらに抑制できる。

本開示の第８態様は、第４態様〜第７態様のいずれか１つの態様に加えて、前記供給管は、前記開口の中心と前記シャフトの回転軸線とを結ぶ線分Ａ及び前記吸入孔の入口の中心と前記シャフトの回転軸線とを結ぶ線分Ｂを前記シャフトの回転軸線に直交する平面に投影したとき、前記線分Ａと前記線分Ｂとのなす角の角度が９０度〜２７０度であるように、配置されている、液体用ポンプを提供する。第８態様によれば、供給管から容器内に導かれた液体がポンプ機構の吸入孔に至るまでに通過する経路が長いので、吸入空間において気体を液体から分離するための期間を長く確保できる。このため、液体とともに気体がポンプ機構へ吸入されることをさらに抑制できる。

本開示の第９態様は、第４態様〜第８態様のいずれか１つの態様に加えて、前記容器の内部に配置され、前記ポンプ機構を駆動するように前記シャフトによって前記ポンプ機構に連結された電動機をさらに備えた、液体用ポンプを提供する。第９態様によれば、電動機が容器の内部に配置されているので、液体が容器から漏れることを防止できる。

本開示の第１０態様は、第４態様〜第９態様のいずれか１つの態様に加えて、前記電動機が前記吐出空間に配置されている、液体用ポンプを提供する。第１０態様によれば、電動機で発生した熱をポンプ機構から吐出された液体によって回収できるので、液体用ポンプの効率が向上する。

本開示の第１１態様は、第１態様〜第１０態様のいずれか１つの態様に加えて、前記吸入空間が前記液体を貯留するための貯留エリアを有する、液体用ポンプを提供する。第１１態様によれば、吸入空間に液体を貯留できる。このため、例えば、液体用ポンプをランキンサイクル装置に利用できる。

本開示の第１２態様は、
作動流体を加熱する加熱器と、
前記加熱器によって加熱された前記作動流体を膨張させる膨張機と、
前記膨張機によって膨張した前記作動流体の有する熱を放熱する放熱器と、
第１態様〜第１１態様のいずれか１つの態様の液体用ポンプと、を備え、
前記放熱器から流出した液体状態の前記作動流体が前記液体として前記供給管を経由して前記容器の内部に導かれる、
ランキンサイクル装置を提供する。

ランキンサイクルの効率を高めるためには、ランキンサイクルにおいて、放熱器から流出した作動流体は、過冷却度ができるだけ小さい過冷却液又は飽和液であることが望ましい。この場合、作動流体の圧力がわずかに下がる、又は、作動流体がわずかに加熱されると、作動流体が気液二相状態に変化する。第１２態様によれば、放熱器から流出した液体状態の作動流体が減圧又は加熱により気液二相状態に変化し液体状態の作動流体とともに気体状態の作動流体が液体用ポンプに導かれたとしても、ポンプ機構への気体の流入が妨げられる。このため、ポンプ機構の構成部品の損傷を抑制できる。すなわち、ランキンサイクルの効率が高い状態でランキンサイクル装置を運転しつつ、ポンプ機構の構成部品の損傷を抑制できる。

本開示の第１３態様は、第４態様〜第１１態様のいずれか１つの態様に加えて、
前記シャフトは鉛直方向又は水平方向に延びており、
前記シャフトが鉛直方向に延びている場合には、前記気体滞留エリアが前記ポンプ機構の作動室の鉛直方向の中心よりも上方に位置している部分を含み、
前記シャフトが水平方向に延びている場合には、前記気体滞留エリアが前記シャフトの回転軸線よりも上方に位置している、液体用ポンプを提供する。

第１３態様によれば、より上方に気体滞留エリア１９ｃが拡がっているので、気体滞留エリア１９ｃにおける液体から分離された気体が吸入孔２２に向かって流れにくい。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示はこれらによって限定されるものではない。

＜液体用ポンプ＞
図１に示すように、液体用ポンプ１ａは、容器１０と、供給管２１と、ポンプ機構１２と、吸入空間１９と、吐出空間１８とを備える。供給管２１は、容器１０の外部から容器１０の内部へ液体を導くための管である。ポンプ機構１２は、容器１０の内部に配置されており、吸入孔２２及び吐出孔２３を有する。吸入孔２２は、液体を吸入するための孔である。吐出孔２３は、吸入孔２２を通って吸入された液体を吐出するための孔である。吸入空間１９は、吸入孔２２の入口２２ｉ側で容器１０の内部に位置し、供給管２１が形成する流路と吸入孔２２とを連通させる空間である。吐出空間１８は、吐出孔２３の出口２３ｏ側で容器１０の内部に位置し、吐出孔２３に連通している空間である。

液体用ポンプ１ａは、電動機１１、シャフト１３、排出管２０、及び仕切部材２７をさらに備える。液体用ポンプ１ａは密閉型のポンプであり、容器１０の内部空間は、供給管２１及び排出管２０のみによって容器１０の外部空間に連通している。シャフト１３は、鉛直方向に延びている。ポンプ機構１２は、上軸受部材１４、ポンプケース１５、及び下軸受部材１６を備える。ポンプケース１５は、上軸受部材１４及び下軸受部材１６によって挟まれている。

ポンプ機構１２は、シャフト１３の回転によって、液体が吸入孔２２を通ってポンプ機構１２に吸入され、かつ吐出孔２３を通ってポンプ機構１２から吐出されるように、構成されている。本実施形態では、ポンプ機構１２の下方から液体が吸入され、ポンプ機構１２の上方に液体が吐出される。

ポンプ機構１２は、例えば、内接式のギヤポンプである。図２に示すように、ポンプケース１５の内部には、アウターギヤ２４及びインナーギヤ２５が配置されている。シャフト１３は、下軸受部材１６の中央で下軸受部材１６を貫通している。また、下軸受部材１６には、吸入孔２２が形成されている。シャフト１３は、上軸受部材１４の中央で上軸受部材１４を貫通している。上軸受部材１４には、吐出孔２３が形成されている。アウターギヤ２４はインナーギヤ２５の外側に配置されている。アウターギヤ２４の歯とインナーギヤ２５の歯とが噛みあっている。インナーギヤ２５は、シャフト１３に嵌っている。インナーギヤ２５の回転軸線は、シャフト１３の回転軸線Ｐと一致する。アウターギヤ２４は、アウターギヤ２４の回転軸線がシャフト１３の回転軸線Ｐからオフセットされるように、配置されている。アウターギヤ２４は、シャフト１３によるインナーギヤ２５の回転に伴いインナーギヤ２５の歯によって押され、インナーギヤ２５とともに回転する。

上軸受部材１４、下軸受部材１６、アウターギヤ２４、及びインナーギヤ２５によってポンプ機構１２には作動室２６が形成されている。アウターギヤ２４及びインナーギヤ２５がシャフト１３の回転に伴って回転することによって、ポンプ機構１２は、吸入工程と吐出工程とを繰り返しながら動作する。すなわち、アウターギヤ２４及びインナーギヤ２５の回転によって、作動室２６は、吸入室２６ａの状態から吐出室２６ｃの状態へ移行し、又は、吐出室２６ｃの状態から吸入室２６ａの状態へ移行する。吸入室２６ａとは、吸入孔２２によって吸入空間１９に連通している状態の作動室２６の部分である。吐出室２６ｃとは、吐出孔２３によって吐出空間１８に連通している状態の作動室２６の部分である。吸入工程において、シャフト１３の回転とともに吸入室２６ａの容積が拡大する。吸入孔２２が閉ざされ吸入室２６ａが吸入空間１９に連通しなくなると吸入工程が終了する。シャフト１３がさらに回転することによって、吸入工程終了後の作動室２６が吐出孔２３によって吐出空間１８に連通し、吐出室２６ｃに移行する。シャフト１３の回転とともに吐出室２６ｃの容積が減少する。吐出孔２３が閉ざされ吐出室２６ｃが吐出空間１８に連通しなくなると吐出工程が終了する。このようにして、シャフト１３の回転によって、液体が吸入孔２２を通ってポンプ機構１２に吸入され、かつ吐出孔２３を通ってポンプ機構１２から液体が吐出される。

ポンプ機構１２は、例えば、上軸受部材１４が容器１０の内周面に溶接されていることによって容器１０に固定されている。上軸受部材１４によって容器１０の内部空間が吐出空間１８と吸入空間１９とに分かれている。容器１０の内周面は、空間を形成するための部分として、吸入空間１９を形成するための部分及び吐出空間１８を形成するための部分のみを有する。吸入空間１９及び吐出空間１８によって、ポンプ機構１２における液体の吸入又は液体の吐出に伴う脈動が液体用ポンプの外部に伝播することを抑制できる。なお、ポンプケース１５又は下軸受部材１６によって容器１０の内部空間が吐出空間１８と吸入空間１９とに分かれていてもよい。

電動機１１は、容器１０の内部に配置されている。電動機１１は、上軸受部材１４よりも上方に位置している。すなわち、電動機１１が吐出空間１８に配置されている。電動機１１は、ポンプ機構１２を駆動するようにシャフト１３によってポンプ機構１２に連結されている。具体的に、電動機１１はステータ１１ａ及びロータ１１ｂを備え、ロータ１１ｂがシャフト１３に接続されている。ステータ１１ａは、容器１０の内周面に固定されている。液体用ポンプ１ａは、電動機１１に電力を供給するための端子１７を有する。端子１７は、容器１０の上部に設けられている。電動機１１に電力が供給されるとロータ１１ｂとともにシャフト１３が回転し、上記のようにポンプ機構１２が駆動される。

ロータ１１ｂは、シャフト１３とロータ１１ｂとが接触した状態でシャフト１３に接続されている。これにより、ロータ１１ｂの回転軸線とシャフト１３の回転軸線Ｐとがずれることを防止できる。ポンプ機構１２の上軸受部材１４又は下軸受部材１６との摺動損失が低減され、シャフト１３、上軸受部材１４、及び下軸受部材１６の摩耗が減少するので、液体ポンプ１ａの信頼性が高まる。また、電動機１１の効率が向上する。

供給管２１は、容器１０の胴部を形成する側壁を貫通して容器１０に取り付けられている。供給管２１を通って、容器１０の外部から容器１０の内部へ液体が導かれる。供給管２１から流出した液体は、吸入孔２２へ向かって吸入空間１９を流れる。排出管２０は、容器１０の上面部を形成する天井壁を貫通して容器１０に取り付けられている。排出管２０が形成する流路は、吐出空間１８に連通している。排出管２０は、ポンプ機構１２から吐出孔２３を通って吐出空間１８へ吐出された液体を液体用ポンプ１ａの外部へ排出するための管である。

供給管２１の容器１０側の端２１ｅが鉛直方向において吸入孔２２の入口２２ｉの高さ又は吸入孔２２の入口２２ｉより上方に位置している。供給管２１の容器１０側の端１０ｅと吸入孔２２の入口２２ｉの位置関係がこのように設定されていることにより、供給管２１を通って、液体とともに気体が導かれても、吸入孔２２の入口２２ｉへの気体の到達が困難である。吸入空間１９は、供給管２１の容器１０側の端２１ｅが形成する開口の中心２１ｃよりも上方に位置し、液体とともに供給管２１を通って導かれる気体を液体と分離するためにその気体を滞留させる気体滞留エリア１９ｃを有する。これにより、供給管２１を通って、液体とともに気体が導かれても、気体滞留エリア１９ｃにおいて気体が滞留することにより液体から気体が分離され、液体のみが吸入孔２２に到達しやすい。ポンプ機構１２への気体の流入が妨げられるので、ポンプ機構１２の構成部品の損傷を抑制できる。

気体滞留エリア１９ｃにおいて、気体が滞留して液体から気体が分離される可能性を高めるために、気体滞留エリア１９ｃは、例えば、気体滞留エリア１９ｃが供給管２１の容器１０側の端２１ｅよりも上方にも拡がっていることが望ましい。また、供給管２１の容器１０側の端２１ｅが容器１０の内周面よりも内側に突出するように設けられていることが望ましい。気体滞留エリア１９ｃは、ポンプ機構１２の作動室２６の鉛直方向の中心よりも上方に位置している部分を含むことが望ましい。これにより、より上方に気体滞留エリア１９ｃが拡がっているので、気体滞留エリア１９ｃにおける液体から分離された気体が吸入孔２２に向かって流れにくい。

供給管２１の容器１０側の端２１ｅ、仕切部材２７、及び吸入孔２２の入口２２ｉが上方からこの順番で配置されている。液体用ポンプ１ａは、端２１ｅが形成する開口の中心２１ｃと、吸入孔２２の入口２２ｉの中心２２ｃとを結ぶ線分Ｌ上に配置された所定の部材をさらに備える。本実施形態では、図１に示すように、ポンプケース１５、下軸受部材１６、及びシャフト１３が線分Ｌ上に配置された所定の部材に相当する。これにより、吸入空間１９が所定の部材を避けて形成されるので、供給管２１を通って容器１０の内部に流入した液体が供給管２１とポンプ機構１２の吸入孔２２を直線で結んだ最短距離の経路を通ってポンプ機構１２の吸入孔２２に流入することを抑制できる。

仕切部材２７は、吸入空間１９を、上部空間１９ａと下部空間１９ｂとに仕切っている。上部空間１９ａは、供給管２１の容器１０側の端２１ｅに接する空間である。下部空間１９ｂは、吸入孔２２の入口２２ｉに接する空間である。図３に示すように、仕切部材２７には連通路２８が形成されており、連通路２８によって、上部空間１９ａと下部空間１９ｂとが連通している。連通路２８の数は特に限定されない。仕切部材２７には、１つの連通路２８が形成されていてもよいし、複数の連通路２８が形成されていてもよい。

仕切部材２７は、下軸受部材１６よりも外周側に配置されている。仕切部材２７は、シャフト１３の回転軸線Ｐに対して直交する方向（シャフト１３の半径方向）に延びており、下軸受部材１６を囲むように形成されている。仕切部材２７は、仕切部材２７の外周面が、ポンプケース１５の外周面よりもシャフト１３の回転軸線Ｐから遠くに位置するように配置されている。例えば、仕切部材２７は、仕切部材２７の外周面が容器１０の内周面に接するように配置されている。仕切部材２７は、例えば、平面視で環状の形状を有する。

図１及び図３に示すように、供給管２１は、供給管２１の中心軸線を容器１０の内部に延長した直線Ｎと、吸入孔２２の入口２２ｉの中心２２ｃを通り吸入孔２２の入口２２ｉに直交する直線Ｍとが異なる平面に含まれるように、配置されている。換言すると、供給管２１は、直線Ｎと、直線Ｍとが交差しないように配置されている。供給管の容器側の端２１ｅが形成する開口の中心２１ｃとシャフト１３の回転軸線Ｐとを結ぶ線分Ａ及び吸入孔２２の入口２２ｉの中心２２ｃとシャフト１３の回転軸線Ｐとを結ぶ線分Ｂをシャフト１３の回転軸線Ｐに直交する平面に投影することを考える。この場合に、供給管２１は、線分Ａと線分Ｂとのなす角の角度θが９０度〜２７０度であるように、配置されている。本実施形態では、線分Ａと線分Ｂとのなす角θの角度は２００度である。供給管２１がこのように配置されていることにより、供給管２１から容器１０の内部に導かれた液体がポンプ機構１２の吸入孔２２に至るまでに通過する経路が長くなるので、吸入空間１９において気体を液体から分離するための期間を長く確保できる。

吸入空間１９は、液体を貯留するための貯留エリア１９ｄを有する。吸入空間１９は、液体を貯留するために、吸入孔２２よりも下方に十分な深さを有するように形成されている。吸入空間１９は、ランキンサイクル装置全体の配管容積にもよるが、例えば、ポンプ機構１２の作動室２６の容積の２０倍〜３００倍の容積を有する空間を貯留エリア１９ｄとして有する。これにより、貯留エリア１９ｄに液体を貯留できるので、液体用ポンプ１ａを例えばランキンサイクル装置に利用できる。

液体は、供給管２１を通って吸入空間１９のうち上部空間１９ａに流入する。上部空間１９ａに流入した液体は、容器１０の周方向に沿って流れ、仕切部材２７に形成された連通路２８を通って、下部空間１９ｂに流入する。供給管２１を通って液体とともに気体が導かれる場合、気体は、上部空間１９ａの上方の気体滞留エリア１９ｃに溜まり、液体が上部空間１９ａの下方に溜まる。このため、液体のみが連通路２８を通過する。

下部空間１９ｂに流入した液体は、吸入孔２２の入口２２ｉから吸入孔２２を通って吸入室２６ａに吸入される。そして、吸入工程においてシャフト１３の回転とともに吸入室２６ａの容積が増加するに伴い、吸入室２６ａに液体が充填されていく。シャフト１３がさらに回転して吐出工程に移行すると、吐出室２６ｃの容積が減少しながら、吐出孔２３を通って液体が吐出される。吐出空間１８に吐出された液体は、ステータ１１ａと容器１０の内周面との間のすき間、又は、ステータ１１ａとロータ１１ｂとの間のすき間を通って吐出空間１８の上方へ流れ、排出管２０を通って容器１０の外部へ排出される。

＜ランキンサイクル装置＞
次に、液体用ポンプ１ａを備えたランキンサイクル装置１００について説明する。図４に示すように、ランキンサイクル装置１００は、加熱器２と、膨張機３と、放熱器４と、液体用ポンプ１ａとを備える。ランキンサイクル装置１００は、流路６ａ、流路６ｂ、流路６ｃ、及び流路６ｄを有し、流路６ａ、流路６ｂ、流路６ｃ、及び流路６ｄによって加熱器２、膨張機３、放熱器４、及び液体用ポンプ１ａがこの順番で環状に接続されている。流路６ａは、液体用ポンプ１ａの出口と加熱器２の入口とを接続している。排出管２０が、流路６ａの少なくとも一部を形成している。流路６ｂは、加熱器２の出口と膨張機３の入口とを接続している。流路６ｃは、膨張機３の出口と放熱器４の入口とを接続している。流路６ｄは、放熱器４の出口と液体用ポンプ１ａの入口とを接続している。供給管２１は、流路６ｄの少なくとも一部を形成している。

ランキンサイクル装置１００の作動流体は特に限定されないが、例えば有機作動流体を望ましく使用できる。有機作動流体は、例えば、ハロゲン化炭化水素、炭化水素、又はアルコールなどの有機化合物である。ハロゲン化炭化水素は、例えば、Ｒ−１２３、Ｒ３６５ｍｆｃ、及びＲ−２４５ｆａである。炭化水素は、例えば、プロパン、ブタン、ペンタン、及びイソペンタンなどのアルカンである。アルコールは例えばエタノールである。これらの有機作動流体は単独で使用されてもよいし、これらの有機作動流体のうち二種類以上が混合されていてもよい。また、作動流体として、水、二酸化炭素、及びアンモニアなどの無機作動流体を使用してもよい。

加熱器２は、ランキンサイクルの作動流体を加熱する。加熱器２は、例えば、地熱によって得られる温水、ボイラー若しくは燃焼炉の燃焼ガス又はその排気ガスなどの熱媒体から熱エネルギーを吸収し、その吸収した熱エネルギーによって作動流体を加熱して蒸発させる。加熱器２には、熱媒体の流路２ａが接続されている。熱媒体が、温水などの液体である場合、加熱器２として、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器が望ましく使用される。また、熱媒体が燃焼ガス又は排気ガスなどの気体の場合、加熱器２として、フィンチューブ熱交換器が望ましく使用される。図４において、実線の矢印は作動流体の流れ方向を示し、破線の矢印は熱媒体の流れ方向を示している。

膨張機３は、加熱器２によって加熱された作動流体を膨張させるための流体機械である。ランキンサイクル装置１００は、発電機５をさらに備えている。発電機５は、膨張機３に接続されている。膨張機３における作動流体の膨張によって膨張機３は回転動力を得る。この回転動力が発電機５によって電気に変換される。膨張機３は、例えば、容積型又は速度型の膨張機である。容積型の膨張機の型式としては、ロータリ型、スクリュー型、往復型、及びスクロール型を挙げることができる。速度型の膨張機の型式としては、遠心型又は軸流型を挙げることができる。膨張機３は、典型的には、容積型の膨張機である。

放熱器４は、膨張機３によって膨張した作動流体の有する熱を放熱する。具体的に、放熱器４において、作動流体が冷却媒体と熱交換することによって、作動流体が冷却され、冷却媒体が加熱される。放熱器４には、冷却媒体の流路４ａが接続されている。図４において、一点鎖線の矢印は、冷却媒体の流れの方向を示している。放熱器４としては、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器、及びフィンチューブ熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。放熱器４の種類は、冷却媒体の種類に応じて適切に選択される。冷却媒体が水などの液体である場合、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器が望ましく使用される。また、冷却媒体が空気などの気体である場合、フィンチューブ熱交換器が望ましく使用される。

放熱器４から流出した作動流体は、液体状態である。すなわち、放熱器４から流出した液体状態の作動流体が供給管２１を経由して容器１０の内部に導かれる。液体用ポンプ１ａによって作動流体が加圧され、加圧された作動流体が流路６ａを経由して加熱器２に供給される。ランキンサイクルの効率を高めるためには、放熱器４から流出しポンプ１ａに流入する作動流体は、過冷却度ができるだけ小さい過冷却液又は飽和液であることが望ましい。しかし、このような状態の作動流体は、わずかな減圧又はわずかな加熱で気液二相状態になってしまう。このため、液体とともに気体が供給管２１を通って導かれる可能性がある。この場合、液体用ポンプ１ａが上記のように構成されているので、ポンプ機構１２への気体の流入が妨げられ、ポンプ機構１２の構成部品の損傷が抑制される。また、例えば、ランキンサイクル装置１００の運転状態により放熱器４における作動流体の冷却が十分でなく、気液二相状態の作動流体が供給管２１を通って液体用ポンプ１ａに供給される場合にも同様の効果が得られる。

吐出空間１８において、作動流体が電動機１１で発生する熱を回収するので、液体用ポンプ１ａの効率が高い。また、ランキンサイクル装置１００の効率も高い。

ランキンサイクルにおける作動流体の圧力条件及び温度条件は、ランキンサイクル装置の運転条件によって変動する。その運転条件は、例えば、加熱器２に流入する熱媒体の温度、加熱器２において作動流体と熱媒体との間で熱交換される熱量、放熱器４に流入する冷却媒体の温度、放熱器４において作動流体と冷却媒体との間で熱交換される熱量、及び膨張機３の回転数である。このランキンサイクル装置１００の運転条件の変動によって、ランキンサイクル装置１００における作動流体の最適量も変動する。液体用ポンプ１ａは、貯留エリア１９ｄに液体状態の作動流体を所定量貯留できるので、運転条件の変動に伴う作動流体の最適量の変動に対応できる。このため、サイクル効率が高い状態でランキンサイクル装置１００を運転できる。

＜第１変形例＞
液体用ポンプ１ａは、様々な観点から変更が可能である。液体用ポンプ１ａは、図５に示すように、第１変形例に係る液体用ポンプ１ｂのように変更されてもよい。液体用ポンプ１ｂは、特に説明する場合を除き、液体用ポンプ１ａと同様に構成される。液体用ポンプ１ａの構成要素と同一又は対応する液体用ポンプ１ｂの構成要素には、液体用ポンプ１ａの構成要素と同一の符号を付し、詳細な説明を省略することがある。液体用ポンプ１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、液体用ポンプ１ｂにも適用される。このことは、第２変形例にもあてはまる。

図５に示すように、液体用ポンプ１ｂにおいて、シャフト１３は水平方向に延びている。これに伴い、液体用ポンプ１ｂにおける容器１０、電動機１１、及びポンプ機構１２は、液体用ポンプ１ａを、吸入孔２２がシャフト１３の回転軸線Ｐよりも下方に位置するように９０度回転させたように配置されている。また、仕切部材２７が省かれている。

供給管２１は、シャフト１３の回転軸線Ｐよりも上方で容器１０の側壁を貫通して取り付けられている。これにより、吸入空間１９の気体滞留エリア１９ｃがシャフト１３の回転軸線Ｐよりも上方に位置している。このため、より上方に気体滞留エリア１９ｃが拡がっているので、気体滞留エリア１９ｃに気体が溜まりやすく、液体から分離された気体が吸入孔２２に向かって流れにくい。

図５に示すように、シャフト１３及び下軸受部材１６が、供給管の容器側の端２１ｅが形成する開口の中心２１ｃと、吸入孔２２の入口２２ｉの中心２２ｃとを結ぶ線分Ｌ上に配置された所定の部材に相当する。また、供給管２１は、供給管２１の中心軸線を容器１０の内部に延長した直線Ｎと、吸入孔２２の入口２２ｉの中心２２ｃを通り吸入孔２２の入口２２ｉに直交する直線Ｍとが異なる平面に含まれるように、配置されている。

端２１ｅが形成する開口の中心２１ｃとシャフト１３の回転軸線Ｐとを結ぶ線分Ａ及び吸入孔２２の入口２２ｉの中心２２ｃとシャフト１３の回転軸線Ｐとを結ぶ線分Ｂをシャフト１３の回転軸線Ｐに直交する平面に投影することを考える。このとき、図６に示すように、供給管２１は、線分Ａと線分Ｂとのなす角θの角度が９０度〜２７０度であるように、配置されている。

供給管２１がこのように配置されていると、供給管２１から容器１０の内部に導かれた液体がポンプ機構１２の吸入孔２２に至るまでに通過する経路が長くなるので、吸入空間１９において気体を液体から分離するための期間を長く確保できる。

＜第２変形例＞
液体用ポンプ１ａは、図７に示すように、第２変形例に係る液体用ポンプ１ｃのように変更されてもよい。液体用ポンプ１ｃは、供給管２１の配置以外は液体用ポンプ１ｂと同様に構成されている。供給管２１は、シャフト１３の回転軸線Ｐの周方向に拡がる内周面を形成する容器１０の壁を貫通して取り付けられている。供給管２１は、供給管２１の容器側の端２１ｅが容器１０の内周面よりも容器１０の内部に位置し、かつシャフト１３の回転軸線Ｐよりも上方に位置するように配置されている。これにより、吸入空間１９の気体滞留エリア１９ｃがシャフト１３の回転軸線Ｐよりも上方に位置している。このため、より上方に気体滞留エリア１９ｃが拡がっているので、気体滞留エリア１９ｃに気体が溜まりやすく、液体から分離された気体が吸入孔２２に向かって流れにくい。

図７に示すように、シャフト１３及び下軸受部材１６が、供給管の容器側の端２１ｅが形成する開口の中心２１ｃと、吸入孔２２の入口２２ｉの中心２２ｃとを結ぶ線分Ｌ上に配置された所定の部材に相当する。また、供給管２１は、供給管２１の中心軸線を容器１０の内部に延長した直線Ｎと、吸入孔２２の入口２２ｉの中心２２ｃを通り吸入孔２２の入口２２ｉに直交する直線Ｍとが異なる平面に含まれるように、配置されている。

供給管の容器側の端２１ｅが形成する開口の中心２１ｃとシャフト１３の回転軸線Ｐとを結ぶ線分Ａ及び吸入孔２２の入口２２ｉの中心２２ｃとシャフト１３の回転軸線Ｐとを結ぶ線分Ｂをシャフト１３の回転軸線Ｐに直交する平面に投影することを考える。このとき、図８に示すように、供給管２１は、線分Ａと線分Ｂとのなす角θの角度が９０度〜２７０度であるように、配置されている。

供給管２１がこのように配置されていると、供給管２１から容器１０の内部に導かれた液体がポンプ機構１２の吸入孔２２に至るまでに通過する経路が長くなるので、吸入空間１９において気体を液体から分離するための期間を長く確保できる。

＜その他の変形例＞
液体用ポンプ１ａは、液体用ポンプ１ａが内接式のギヤポンプ以外のポンプとして構成されるように変更されてもよい。液体用ポンプ１ａは、例えば、他のギヤポンプ、ピストンポンプ、ベーンポンプ、及びロータリポンプなどの容積型のポンプ又は遠心ポンプ、斜流ポンプ、及び軸流ポンプなどの速度型のポンプとして構成されてもよい。

仕切部材２７は、パンチングプレート又はメッシュ状の部材によって形成されていてもよい。また、仕切部材２７に消泡効果を有する微小な突起が形成されていてもよい。また、仕切部材２７は、省略されてもよい。

１ａ〜１ｃ 液体用ポンプ
２ 加熱器
３ 膨張機
４ 放熱器
１０ 容器
１１ 電動機
１２ ポンプ機構
１３ シャフト
１８ 吐出空間
１９ 吸入空間
１９ａ 上部空間
１９ｂ 下部空間
１９ｃ 気体滞留エリア
１９ｄ 貯留エリア
２１ 供給管
２１ｃ 開口の中心
２１ｅ 供給管の容器側の端
２２ 吸入孔
２２ｃ 吸入孔の入口の中心
２２ｉ 吸入孔の入口
２３ 吐出孔
２３ｏ 吐出孔の出口
２７ 仕切部材
１００ ランキンサイクル装置

Claims (12)

1. 容器と、
   前記容器の外部から前記容器の内部へ液体を導くための供給管と、
   前記容器の内部に配置され、前記液体を吸入するための吸入孔及び前記吸入孔を通って吸入された前記液体を吐出するための吐出孔を有するポンプ機構と、
   前記吸入孔の入口側で前記容器の内部に位置し、前記供給管が形成する流路と前記吸入孔とを連通させる吸入空間と、
   前記吐出孔の出口側で前記容器の内部に位置し、前記吐出孔に連通している吐出空間と、を備え、
   前記吸入空間は、鉛直方向において、前記供給管の前記容器側の端が形成する開口の中心よりも上方に位置し、前記液体とともに前記供給管を通って導かれる気体を前記液体と分離するために前記気体を滞留させる気体滞留エリアを有する、
   液体用ポンプ。
2. 前記供給管の前記容器側の端は、鉛直方向において、前記吸入孔の入口の高さ又は前記吸入孔の入口より上方に位置する、請求項１に記載の液体用ポンプ。
3. 前記容器の内周面は、空間を形成するための部分として、前記吸入空間を形成するための部分及び前記吐出空間を形成するための部分のみを有する、請求項１又は２に記載の液体用ポンプ。
4. シャフトをさらに備え、
   前記ポンプ機構は、前記シャフトの回転によって、前記液体が前記吸入孔を通って前記ポンプ機構に吸入され、かつ前記吐出孔を通って前記ポンプ機構から吐出されるように、構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体用ポンプ。
5. 前記開口の中心と、前記吸入孔の入口の中心とを結んだ線分上に配置された所定の部材をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体用ポンプ。
6. 前記吸入空間を、前記供給管の前記容器側の端に接する上部空間と前記吸入孔の入口に接する下部空間とに仕切る仕切部材をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体用ポンプ。
7. 前記供給管は、前記供給管の中心軸線を前記容器の内部に延長した直線と、前記吸入孔の入口の中心を通り前記吸入孔の入口と直交する直線とが異なる平面に含まれるように、配置されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の液体用ポンプ。
8. 前記供給管は、前記開口の中心と前記シャフトの回転軸線とを結ぶ線分Ａ及び前記吸入孔の入口の中心と前記シャフトの回転軸線とを結ぶ線分Ｂを前記シャフトの回転軸線に直交する平面に投影したとき、前記線分Ａと前記線分Ｂとのなす角の角度が９０度〜２７０度であるように、配置されている、請求項４〜７のいずれか１項に記載の液体用ポンプ。
9. 前記容器の内部に配置され、前記ポンプ機構を駆動するように前記シャフトによって前記ポンプ機構に連結された電動機をさらに備えた、請求項４〜８のいずれか１項に記載の液体用ポンプ。
10. 前記電動機が前記吐出空間に配置されている、請求項４〜９のいずれか１項に記載の液体用ポンプ。
11. 前記吸入空間が前記液体を貯留するための貯留エリアを有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の液体用ポンプ。
12. 作動流体を加熱する加熱器と、
    前記加熱器によって加熱された前記作動流体を膨張させるための膨張機と、
    前記膨張機によって膨張した前記作動流体の有する熱を放熱する放熱器と、
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の液体用ポンプと、を備え、
    前記放熱器から流出した液体状態の前記作動流体が前記液体として前記供給管を経由して前記容器の内部に導かれる、
    ランキンサイクル装置。

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