JP2021071069A - 液体ポンプ及びランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、軸受とシャフトとの間の隙間である軸受空間における液体作動流体の減圧によるガス化を抑制し、軸受とシャフトとの固体接触を防止し、これにより信頼性を向上する液体ポンプとそれを用いたランキンサイクル装置を提供する。【解決手段】本開示は、軸受空間内に高圧空間１３７と連通した貯留空間１１２、１２８を配置することで、高圧空間１３７と同等圧力の液体作動流体を貯留空間１１２、１２８に溜めることを可能とし、これにより軸受空間内の微小空間における液体作動流体の減圧によるガス化を抑制した液体ポンプ１００とそれを用いたランキンサイクル装置である。【選択図】図１

Description

本開示は、液体ポンプ及びランキンサイクル装置に関する。

特許文献１は、摺動部を十分に潤滑することができる液冷媒ポンプを開示する。この液冷媒ポンプは、シリンダブロックと、密閉容器内に軸支されたクランクシャフトと、クランクシャフトの端部に設けられ、シリンダブロック内のシリンダ室内に収容されたローリングピストンと、シリンダブロックの側部を貫通してローリングピストンの外周面に当接し、シリンダ室を吸入室と圧縮室とに仕切るブレードと、シリンダブロックを貫通して吸入室と密閉容器外部とを連通する吸入路と、シリンダブロックを貫通して、一端側開口部が圧縮室に開口し、他端側開口部がシリンダブロックのシリンダ室外にあり、密閉容器内に開口する吐出路と、を備える。

特開２００１−３４２９７４号公報

本開示は、軸受とシャフトとの間の隙間の液体作動流体が減圧することによるガス化を抑制し、軸受とシャフトとの信頼性を向上する液体ポンプを提供する。

本開示は、
液体作動流体を貯留する第１空間と前記第１空間よりも高圧の液体作動流体を貯留する第２空間とを有する圧力容器と、
前記圧力容器内に配置されたシャフトと、
前記シャフトを前記シャフトの半径方向に支持する軸受と、
前記シャフトの回転により前記第１空間の液体作動流体を吸入して昇圧し、前記第２空間へ前記高圧の液体作動流体を吐出する昇圧機構と、
前記シャフトと前記軸受との間に前記第２空間と連通して配置され、前記シャフトの半径方向において、前記シャフトの外周面と前記軸受の内周面との最短距離よりも幅が広く、前記昇圧機構で昇圧された前記高圧の液体作動流体で満たされる貯留空間と、
を備える液体ポンプ、およびこれを用いたランキンサイクル装置である。

本開示は、液体ポンプにおいて、軸受空間に高圧空間と連通した貯留空間を構成することで、高圧空間と同等圧力の液体作動流体を貯留空間に溜めることができ、軸受における微小空間の液体作動流体の減圧によるガス化を抑制し、軸受とシャフトとの間の液膜を保持できるので、軸受とシャフトとの固体接触を抑制し、信頼性を向上することができる。

実施の形態１における液体ポンプの縦断面図 実施の形態１における液体ポンプの拡大図 実施の形態１における図１のＩ−Ｉ線に沿った液体ポンプの横断面図 実施の形態１におけるシャフトに加わる荷重方向、及び軸受とシャフトとの間の液膜圧力分布を示す模式図 実施の形態２における液体ポンプの縦断面図 実施の形態２における液体ポンプの拡大図 実施の形態３におけるランキンサイクル装置の構成図

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に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エネルギーシステムの一つとして、ランキンサイクルを有するシステムの技術があった。

ランキンサイクルを有するシステムは、一般に、高温高圧のガス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。高温高圧のガス作動流体は、昇圧するためのポンプ及び加熱するための熱源（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。

ランキンサイクルを有するシステムにおいて液体ポンプが使用される。液体ポンプとしては、圧力容器内に配置された、シャフトと、シャフトを支持する軸受と、液体作動流体を昇圧する昇圧機構を備え、シャフトを駆動して、昇圧機構のギヤを回転させることにより、圧力容器の外より液体作動流体を吸入し、液体作動流体を昇圧して、圧力容器の外へ吐出させるように構成された液体作動流体ポンプが挙げられる。この液体ポンプは、昇圧機構で昇圧された液体作動流体を圧力容器の内部空間に吐出する吐出路が形成されている。また、圧力容器外へ排出する排出管が、軸受より上方に配置されている。これにより、液体作動流体が圧力容器内に貯留されるので、液体作動流体の液面高さを軸受より高い位置に保ち、軸受とシャフトとの間に液体作動流体を安定して供給することができる。この供給される液体作動流体により、軸受の冷却及び潤滑動作を確実に行なっている。しかしながら、軸受空間に供給された液体作動流体は、差圧で軸受空間を搬送されるため、高圧側から低圧側へ、軸方向に通過する際に徐々に圧力が低下してしまう。その結果、液体作動流体がガス化し、軸受とシャフトとの間の液膜が保持できなくなり、軸受とシャフトとの固体接触が発生し、信頼性が低下する。

また、所定の圧力条件で動作するランキンサイクルは発電効率を上げるために、膨張機に吸入されるガス作動流体の温度をなるべく高くする必要があり、温度を高くするためには、昇圧前の液体作動流体の過冷却度を小さくすることが求められる。しかし、過冷却度を小さくすると、液体ポンプ内での減圧あるいは、温度上昇等で液体作動流体がガス化しやすくなる。このような課題を発明者らは発見し、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。

そこで本開示は、軸受とシャフトとの間における液体作動流体の減圧によるガス化を抑制し、軸受とシャフトとの間の液膜を保持できるので、軸受とシャフトとの固体接触を抑制し、信頼性を向上することができる信頼性の高い液体ポンプを提供する。

（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係る液体ポンプは、
液体作動流体を貯留する第１空間と前記第１空間よりも高圧の液体作動流体を貯留する第２空間とを有する圧力容器と、
前記圧力容器内に配置されたシャフトと、
前記シャフトを前記シャフトの半径方向に支持する軸受と、
前記シャフトの回転により前記第１空間の液体作動流体を吸入して昇圧し、前記第２空間へ前記高圧の液体作動流体を吐出する昇圧機構と、
前記シャフトと前記軸受との間に前記第２空間と連通して配置され、前記シャフトの半
径方向において、前記シャフトの外周面と前記軸受の内周面との最短距離よりも幅が広く、前記昇圧機構で昇圧された前記高圧の液体作動流体で満たされる貯留空間と、
を有する。

第１態様に係る技術は、液体ポンプにおいて、シャフトと軸受との間に、作動流体の液膜で流体潤滑軸受を形成する微小空間（シャフトの半径方向において、シャフトの外周面と軸受の内周面との距離が最短となる部分の空間）よりもシャフトの半径方向に広い幅で、高圧空間である第２空間と連通した貯留空間を構成する。このため、第２空間と同等圧力である高圧の液体作動流体で貯留空間が満たされることとなる。これにより、流体潤滑軸受を構成する微小空間も、貯留空間から液体作動流体が供給されて第２空間と同等圧力である高圧の液体作動流体の液膜で満たされるため、微小空間において圧力の低下が抑えられる。このように、貯留空間を配置することで流体潤滑軸受を構成する微小空間における圧力低下が抑えられるため、微小空間における液体の減圧によるガス化が抑制される。このため、ガスを含まない液体作動流体すなわち液膜で微小空間を満たすことができるので、軸受とシャフトとの固体接触を防止し、信頼性および耐久性を向上することができる。

本開示の第２態様は、例えば、第１態様に係る液体ポンプにおいて、
前記貯留空間が、
前記シャフトに対向する前記軸受の前記内周面の一部が凹状に形成された空間である、ように構成してもよい。

第２態様によれば、軸受側に形成された貯留空間に流入する液体作動流体が順次入れ替わることにより、軸受の発熱による作動流体の温度上昇を抑制し、微小空間の液体作動流体のガス化がさらに抑制される。このため、シャフトと軸受との間の微小空間を液膜で保持することができるので、軸受とシャフトとの固体接触を防止し、信頼性および耐久性を向上することができる。

本開示の第３態様は、例えば、第１または第２態様に係る液体ポンプにおいて、
前記貯留空間が、
前記軸受に対向する前記シャフトの前記外周面の一部が凹状に形成された空間である、ように構成してもよい。

第３態様によれば、シャフト側に形成された貯留空間に流入する液体作動流体が順次入れ替わることにより、シャフトの発熱による作動流体の温度上昇を抑制し、微小空間の液体作動流体のガス化がさらに抑制される。このため、シャフトと軸受との間の微小空間を液膜で保持することができるので、軸受とシャフトとの固体接触を防止し、信頼性および耐久性を向上することができる。

本開示の第４態様は、例えば、第３態様に係る液体ポンプにおいて、
前記シャフトが、
内部において軸方向に伸び且つ両端が前記第２空間に連通し、前記高圧の液体作動流体が流れる第１の孔と、
前記内部において前記第１の孔と前記外周面とを接続し、前記高圧の液体作動流体が流れる第２の孔と、
を有し、
前記貯留空間が、
前記シャフトの前記外周面上に螺旋状に形成され、一端が前記第２の孔を介して前記第１孔に連通する、
ように構成してもよい。

第４態様によれば、シャフトが回転することで、シャフトの外周面上において、螺旋状の貯留空間内の液体作動流体は軸受との表面摩擦により周方向へ力を受ける。貯留空間は螺旋状であるため鉛直方向すなわち下向き又は上向きに傾斜を有するので、周方向に力を受けた液体作動流体は凹状の貯留空間を形成する傾斜面から下向き又は上向きにも力を受ける。このため液体作動流体は螺旋状の貯留空間に沿って圧送されることとなり、貯留空間内の液体作動流体は、順次入れ替わる。これにより、シャフトの発熱による作動流体の温度上昇をより抑制し、微小空間の液体作動流体のガス化がさらに抑制される。このため、シャフトと軸受との間の微小空間を液膜で保持することができるので、軸受とシャフトとの固体接触を防止し、信頼性および耐久性を向上することができる。

本開示の第５態様は、
第１から第４態様のいずれかに係る液体ポンプと、
前記液体ポンプから圧送された前記高圧の液体作動流体を加熱して気化した気体作動流体を生成する加熱器と、
前記気体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気体作動流体の熱を放熱して前記液体作動流体を生成する放熱器と、
を備え、
前記液体ポンプは、
前記放熱器から流出した前記液体作動流体を前記第１空間に吸入し、吸入した前記液体作動流体を前記昇圧機構により昇圧して前記高圧の液体作動流体を生成し、前記高圧の液体作動流体を前記加熱器へ圧送する、
ランキンサイクル装置である。

第５態様によれば、シャフトと軸受との間の微小空間の液体作動流体の減圧が抑えられることでガス化が抑制されてシャフトと軸受との固体接触が防止された信頼性および耐久性の高い液体ポンプを用いたランキンサイクル装置が構成されるので、サイクル効率が高く、且つ、ランキンサイクルの長期信頼性を確保することができる。

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。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、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。

（実施の形態１）
以下、図１〜図４を用いて、実施の形態１を説明する。

［１−１液体ポンプの構成］
図１、図２において、液体ポンプ１００は、鋼板の成型および溶接によって形成された圧力容器１０２の内部に、電動要素１０４と、電動要素１０４によって駆動されるポンプ要素１０６とを備えている。

圧力容器１０２は耐圧性を有する密閉容器である。圧力容器１０２の内部空間は、液体作動流体を貯留する第１空間と、第１空間よりも高圧の液体作動流体を貯留する第２空間とを有する。第１空間は、吸入管１５８によって圧力容器１０２の外部と接続される低圧
空間１３６である。第２空間は、吐出管１６０によって圧力容器１０２の外部と接続される高圧空間１３７である。

ポンプ要素１０６は、低圧空間１３６及び吸入管１５８を介して圧力容器１０２の外部と接続されるとともに、高圧空間１３７及び吐出管１６０を介して圧力容器１０２の外部と接続されている。

ポンプ要素１０６は、シャフト１０８と、第一軸受１１０と、第二軸受１２６と、第一軸受部材１１４と、第二軸受部材１３０と、昇圧機構１４８と、を備えている。ポンプ要素１０６は、第一軸受部材１１４の外周と圧力容器１０２との間を溶接または焼嵌めすることで固定される。

シャフト１０８の軸線方向の両端は、圧力容器１０２の高圧空間１３７に配置されている。

第一軸受１１０及び第二軸受１２６は、シャフト１０８をシャフト１０８の半径方向に支持する。第一軸受１１０は第一軸受部材１１４により支持され、第二軸受１２６は第二軸受部材１３０により支持されている。

昇圧機構１４８は、シャフト１０８の軸線方向において第一軸受１１０と第二軸受１２６との間に配置されている。

第一軸受１１０、第二軸受１２６のそれぞれとシャフト１０８との間には、隙間すなわち軸受空間が形成される。軸受空間は、第一軸受１１０、第二軸受１２６のそれぞれの軸受面とシャフト１０８の被支持面との間に形成される微小隙間（図示せず）と、高圧空間１３７に連通する貯留空間１１２とを有する。微小空間は、液体作動流体の液膜で流体潤滑軸受を形成する空間であって、シャフトの半径方向において、シャフトの外周面と軸受の内周面との距離が最短となる部分の空間である。

電動要素１０４は、固定子１０４ａと回転子１０４ｂで構成されており、固定子１０４ａは焼嵌めまたは溶接などにより圧力容器１０２の内周面に固定されている。また、回転子１０４ｂは焼嵌めなどによりシャフト１０８に固定されている。端子１５６は電動要素１０４に電気的に接続されており、端子１５６が電源に接続されることによって電動要素１０４に電力が供給される。電動要素１０４に電力が供給されると、回転子１０４ｂとともにシャフト１０８が回転し、ポンプ要素１０６が動作する。

図２、図３に示すように、昇圧機構１４８は、例えば、内接式のギヤポンプである。昇圧機構１４８は、例えば、インナーギヤ１４８ａと、アウターギヤ１４８ｂと、ポンプケース１５０とを用いて構成される。インナーギヤ１４８ａ及びアウターギヤ１４８ｂの外側には、ポンプケース１５０が配置されている。アウターギヤ１４８ｂは、インナーギヤ１４８ａの外側でインナーギヤ１４８ａを取り囲むように配置されている。インナーギヤ１４８ａはシャフト１０８及びキー部材１５２により、回転方向に固定されている。そのため、シャフト１０８が回転すると、インナーギヤ１４８ａがシャフト１０８と共に回転する。インナーギヤ１４８ａの歯及びアウターギヤ１４８ｂの歯は、これらが互いに噛み合うことができるように形成されている。インナーギヤ１４８ａの回転軸心はシャフト１０８の回転軸心と一致している。一方、アウターギヤ１４８ｂは、アウターギヤ１４８ｂの回転軸心がシャフト１０８の回転軸心からオフセットするように配置されている。シャフト１０８とともにインナーギヤ１４８ａが回転すると、インナーギヤ１４８ａの歯に押されてアウターギヤ１４８ｂがインナーギヤ１４８ａとともに回転する。

ポンプケース１５０、インナーギヤ１４８ａ及びアウターギヤ１４８ｂのそれぞれは、第一軸受部材１１４及び第二軸受部材１３０に挟まれるように配置されている。インナーギヤ１４８ａの外周面、アウターギヤ１４８ｂの内周面、第一軸受部材の端面１１４ａ、及び第二軸受部材１３０の端面１３０ａによって、昇圧機構１４８の作動室１４６が形成されている。作動室１４６は、容積が拡大する工程時は吸入室１４６ａ、容積が縮小する工程時は吐出室１４６ｂとなる。

第一軸受部材１１４は、昇圧機構１４８の吸入室１４６ａに連通する吸入ポート１１８と、昇圧機構１４８の吐出室１４６ｂに連通する吐出ポート１１６と、圧力容器１０２の高圧空間１３７に連通する連通路１２０とを備えている。また、第二軸受部材１３０は、昇圧機構１４８の吸入室１４６ａに連通する吸入ポート１３２と、吸入ポート１１８、１３２とつながる低圧空間１３６と、昇圧機構１４８の吐出室１４６ｂに連通する吐出ポート１３４と、圧力容器１０２内に連通する連通路１３８とを備えている。低圧空間１３６には圧力容器１０２の外部に連通する吸入管１５８が接続されている。

本実施の形態において、シャフト１０８の外周面と、第一軸受１１０および第二軸受１２６との間には、図示していない円筒状の微小な隙間（微小空間）が形成されている。この隙間に液体作動流体が流入し、液膜を形成し、軸受を構成する。この微小な隙間のシャフト１０８の半径方向における幅は、ゾンマーフェルトの理論から、潤滑液体の粘度にもよるが、例えば、シャフト１０８の直径の１／２０００から１／５００の範囲の寸法に設定されている。シャフト１０８の半径方向において、通常、この微小空間の幅が、第一軸受１１０及び第二軸受１２６の内周面とシャフト１０８の外周面との最短距離となる。

第一軸受１１０及び第二軸受１２６の内周には、内周面の一部を鉛直方向に長い凹状にすることで形成された貯留空間１１２、１２８を備える。貯留空間１１２、１２８は一端が圧力容器１０２の高圧空間１３７に連通している。貯留空間１１２、１２８において、シャフト１０８の半径方向における幅は、上記微小空間の幅よりも十分に広く、例えば、上記微小空間の幅の４００倍から１０００倍である。

また、貯留空間１１２、１２８の昇圧機構側端１１２ａ、１２８ａから、第一軸受１１０及び第二軸受１２６とシャフト１０８との間の隙間（微小空間）を経由して、経路１２２、１４０へ、液体作動流体が、流れる流路を持っている。この流路を流れる液体作動流体は、貯留空間の液体の入れ替わり、あるいは、ゴミの排出に寄与しているが、循環量が多くなると、昇圧した液体作動流体が低圧側に戻るため、ポンプの体積効率が低下する。そのため、循環量を適切にする必要がある。たとえば、貯留空間１１２、１２８の昇圧機構側端１１２ａ、１２８ａと、第一軸受１１０及び第二軸受１２６の昇圧機構側の端との距離は、シャフト１０８の直径の１／３から２／３が望ましい。この距離は、同心円筒面の漏れ式Ｑ＝πｂｈ^３（Ｐ_１−Ｐ_２）／（１２ηｌ）から決定される。ここで、同心円筒面の漏れ式のＱは漏れ量、ｂは隙間幅（ここでは、第一軸受１１０、第二軸受１２６の周長さ）、ｌは隙間長さ（ここでは、貯留空間１１２、１２８の昇圧機構側端１１２ａ、１２８ａと、第一軸受１１０及び第二軸受１２６の昇圧機構側の端との距離）、ｈは隙間（ここでは、シャフト１０８と、第一軸受１１０及び第二軸受１２６との間の半径方向の隙間）、ηは液体作動流体の粘度である。Ｐ_１は貯留空間１１２、１２８の昇圧機構側の圧力、Ｐ_２は、第一軸受１１０及び第二軸受１２６の昇圧機構側の空間の圧力である。

図４に、シャフト１０８に加わる荷重方向と、第一軸受１１０及び第二軸受１２６の液膜圧力基準線と、第一軸受１１０及び第二軸受１２６の液膜圧力分布の模式図を示す。液膜圧力分布は、液膜圧力基準線の外側は圧力容器内の圧力に対して正の圧力、内側は負の圧力を示す。正の圧力は、シャフト１０８と、第一軸受１１０及び第二軸受１２６との間の液膜が、シャフト１０８をその圧力で保持していることを表す。回転するシャフト１０
８にラジアル方向荷重がかかる場合、図４に示すように、第一軸受１１０及び第二軸受１２６とシャフト１０８との間に正の液膜圧力が発生し、シャフト１０８と、第一軸受１１０及び第二軸受１２６との固体接触を防ぐ。また、シャフト１０８にかかる液膜圧力が発生する領域の端部において、負の圧力領域の部位が存在する。この圧力分布に対して、貯留空間１１２、１２８は、軸受空間の液膜圧力が正となる領域以外に配置することが望ましい。具体的には、貯留空間１１２、１２８の円周方向の位置は、図４に示すように、シャフト１０８の荷重と逆方向を座標のＸ軸とした場合、Ｘ軸方向からシャフト１０８の回転方向と逆におおむね１４０°を基点に、Ｘ軸方向までの間と、Ｘ軸方向を基点にシャフト１０８の回転方向におおむね１００°の間に構成するのが、望ましい。

特に、負の圧力となる領域では、シャフト１０８を保持する力が発生しないので、液膜圧力が負の圧力になるＸ軸方向からシャフト１０８の回転方向と逆におおむね１４０°を基点とし、その基点からシャフト１０８の回転方向におおむね２０°の範囲に貯留空間１１２、１２８を設けることで、液膜圧力が負圧になることを抑制することができるので、なお望ましい。

また、第一軸受１１０及び第二軸受１２６の昇圧機構側端１１０ａ、１２６ａは吸入ポート１１８、１３２に経路１２２、１４０で連通している。

［１−２ 液体ポンプの動作］
以上のように構成された液体ポンプ１００について、その動作を以下説明する。

吸入管１５８、低圧空間１３６、吸入ポート１１８、１３２は、昇圧機構１４８によって圧送される前の低圧の液体作動流体で満たされている。端子１５６に接続された電源（図示せず）から電力が供給されると、回転子１０４ｂとともにシャフト１０８が回転する。シャフト１０８の回転に伴い、インナーギヤ１４８ａ及びアウターギヤ１４８ｂが回転し、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、インナーギヤ１４８ａ及びアウターギヤ１４８ｂの回転によって、作動室１４６は、吸入室１４６ａの状態から吐出室１４６ｂの状態へ移行し、又は吐出室１４６ｂの状態から吸入室１４６ａの状態へ移行する。吸入工程において、シャフト１０８の回転とともに吸入室１４６ａの容積が拡大し、吸入室１４６ａと吸入ポート１１８、１３２との連通が終わると吸入工程が終了する。シャフト１０８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１４６が吐出ポート１１６、１３４に連通すると吐出室１４６ｂに移行する。シャフト１０８の回転とともに吐出室１４６ｂの容積が減少する。吐出室１４６ｂと吐出ポート１１６、１３４との連通が終わると吐出工程が終了する。このように、シャフト１０８の回転によって、低圧空間１３６内の液体作動流体は、吸入ポート１１８、１３２を通って昇圧機構１４８に吸い込まれる。また、吐出ポート１１６、１３４を通り、連通路１２０、１２８を経由して、昇圧機構１４８から液体作動流体が圧力容器１０２の高圧空間１３７に吐出され、圧力容器１０２の高圧空間１３７は高圧の液体作動流体で満たされる。圧力容器１０２の高圧空間１３７の液体作動流体は、空間に吐出された後、吐出管１６０を通って圧力容器１０２の外部に排出される。

第一軸受１１０、第二軸受１２６に構成された貯留空間１１２、１２８は、片側の端部が高圧の液体作動流体が貯留されている圧力容器１０２の高圧空間１３７に連通しているので、貯留空間１１２、１２８の内部は、圧力容器１０２の高圧空間１３７の圧力と同じ圧力の液体作動流体が貯留される。また、貯留空間１１２、１２８の液体作動流体は、貯留空間の昇圧機構側端１１２ａ、１２８ａから、シャフト１０８と第一軸受１１０及び第二軸受１２６との間の微小隙間を経由して、低圧空間１３６に連通する経路１２２、１４０へ、差圧によって流れる。

［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、液体ポンプ１００は、圧力容器１０２と、シャフト１０８と、第一軸受１１０と、第二軸受１２６と、昇圧機構１４８と、貯留空間１１２、１２８とを有する。圧力容器１０２内に、シャフト１０８と、第一軸受１１０と、第二軸受１２６と、昇圧機構１４８と、貯留空間１１２、１２８とが配置される。第一軸受１１０及び第二軸受１２６はシャフト１０８を半径方向に支持する。圧力容器１０２内にシャフト１０８の回転により昇圧機構１４８から高圧の液体作動流体が吐出され、貯留される。第一軸受１１０及び第二軸受１２６には、それぞれ、高圧の液体作動流体が貯留された高圧空間に連通した貯留空間１１２、１２８が設けられている。

これにより、圧力容器１０２内の高圧空間と同等圧力の液体作動流体を、貯留空間１１２、１２８に溜めることができるので、第一軸受１１０及び第二軸受１２６内における液体作動流体は、吐出圧力に維持され、液体作動流体の減圧によるガス化を抑制する。そのため、第一軸受１１０及び第二軸受１２６とシャフト１０８との間の液膜を保持できるので、第一軸受１１０及び第二軸受１２６と、シャフト１０８との固体接触を防止し、信頼性が向上する。

本実施の形態において、液体作動流体は、貯留空間の昇圧機構側端１１２ａ、１２８ａから、シャフト１０８と第一軸受１１０及び第二軸受１２６との隙間を経由して、低圧空間１３６に連通する経路１２２、１４０へ、差圧により流れる。

これにより、貯留空間１１２、１２８内の液体作動流体が順次、入れ替わり、第一軸受１１０、第二軸受１２６の発熱による液体作動流体の温度上昇を抑制するので、作動流体は飽和温度に達することを抑制し、液体作動流体のガス化をさらに抑制する。そのため、第一軸受１１０及び第二軸受１２６とシャフト１０８との間の液膜を保持し、第一軸受１１０及び第二軸受１２６と、シャフト１０８との固体接触を防止し、さらに信頼性が向上する。

（実施の形態２）
以下、図５〜図６を用いて、実施の形態２を説明する。

［２−１．全体構成］
実施の形態２にかかる液体ポンプ２００は、少なくとも、第一軸受１１０及び第二軸受１２６に形成された貯留空間１１２、１２８と、経路１２２、１４０と、昇圧機構側端１１０ａ、１２６ａとが無く、シャフト端部に開口した第１の孔である流入孔２６２と、シャフト２０８の半径方向に開口した第２の孔である流出孔２６４、２６５と、を備えている点で、実施の形態１にかかる液体ポンプ１００と異なる。

第１の孔である流入孔２６２は、シャフト２０８の内部において、軸方向に伸びており、且つ、両端が高圧空間２３７に連通している。

第２の孔である流出孔２６４、２６５は、シャフト２０８の内部において、流入孔２６２とシャフト２０８の外周面とを接続している。

第一軸受２１０及び第二軸受２２６に相対するシャフト２０８の外周には、外周面の一部が、シャフト２０８の鉛直方向に長く且つシャフト２０８の外周面上で鉛直方向から傾斜し、凹状に細長く形成された貯留空間２１２、２２８を備える。言い換えれば、貯留空間２１２、２２８は、シャフト２０８の外周面の一部を凹状に細長く形成した空間であって、外周面上に螺旋状に形成されている。

貯留空間２１２、２２８の一端である昇圧機構側端は、流出孔２６４、２６５を介して、流入孔２６２に連通している。貯留空間２１２、２２８の他端は、高圧空間２３７に直接連通している。

以上のような構成とすることにより、流入孔２６２、流出孔２６４、２６５、貯留空間２１２、２２８には、高圧の液体作動流体が流れる。

［２−２． 液体ポンプの動作］
シャフト２０８の外周に構成された貯留空間２１２、２２８は、片側の端部が高圧の液体作動流体が貯留されている圧力容器２０２の高圧空間２３７に連通し、貯留空間２１２、２２８の昇圧機構側端が、流出孔２６４、２６５を介して流入孔２６２に連通している。高圧の液体作動流体で満たされた流入孔２６２から、シャフト２０８の回転による遠心力により、高圧の液体作動流体は、シャフト２０８の外周に開口した流出孔２６４、２６５を経て、貯留空間２１２、２２８の昇圧機構側端に流れ込む。ここで、貯留空間２１２、２２８は、シャフト２０８の鉛直方向に長く且つシャフト２０８の外周面上で鉛直方向から傾斜している。すなわち、貯留空間２１２、２２８は、シャフト２０８の外周面上で螺旋状となる。このため、流出孔２６４、２６５から貯留空間２１２、２２８に流れ込んだ液体作動流体は、シャフト２０８が回転することで、シャフト２０８の外周面上において、第一軸受２１０、第二軸受２２６との表面摩擦により周方向へ力を受ける。貯留空間２１２、２２８は螺旋状であるため鉛直方向すなわち下向き又は上向きに傾斜を有するので、周方向に力を受けた液体作動流体は凹状の貯留空間２１２、２２８を形成する傾斜面から下向き又は上向きにも力を受ける。このため液体作動流体は螺旋状の貯留空間２１２、２２８それぞれの長手方向に圧送される。このような、いわゆる粘性ポンプ効果により、液体作動流体は圧力容器２０２の高圧空間２３７に吐出される。

［２−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、液体ポンプ２００は、圧力容器２０２と、シャフト２０８と、第一軸受２１０と、第二軸受２２６と、昇圧機構２４８と、貯留空間２１２、２２８と、を有する。昇圧機構２４８は、例えば、内接式のギヤポンプであって、インナーギヤ２４８ａと、アウターギヤ２４８ｂと、ポンプケース２５０とを用いて構成される。また、貯留空間２１２、２２８は、第一軸受２１０及び第二軸受２２６に相対するシャフト２０８の外周に、軸方向に長く且つシャフト２０８の外周面上で鉛直方向から傾斜しているとともに、片側の端部が高圧の液体作動流体が貯留されている圧力容器２０２の高圧空間２３７に連通している。また、貯留空間２１２、２２８の昇圧機構側端２１２ａ、２２８ａは、流出孔２６４、２６５を介して流入孔２６２に連通した構成である。この構成と傾斜した貯留空間２１２、２２８とで、液体作動流体を搬送している。

これにより、貯留空間２１２、２２８の液体作動流体の圧力は、圧力容器２０２の高圧空間２３７と同等以上の圧力を維持できるとともに、貯留空間２１２、２２８内の液体作動流体が順次、入れ替わり、第一軸受２１０、第二軸受２２６の発熱による液体作動流体の温度上昇を抑制する。このため、作動流体は飽和温度に達することがなく、液体作動流体のガス化をさらに抑制する。そのため、第一軸受２１０及び第二軸受２２６とシャフト２０８との間の液膜を保持できるので、第一軸受２１０及び第二軸受２２６と、シャフト２０８との固体接触を防止し、さらに信頼性が向上する。

（実施の形態３）
［３−１．ランキンサイクル装置の構成］
図７に基づいて、液体ポンプ１００又は２００を備えたランキンサイクル装置３７０について説明する。ランキンサイクル装置３７０は、液体ポンプ１００又は２００と、加熱器３７４と、膨張機３７６と、発電機３８０と、放熱器３７８とを備える。

ランキンサイクル装置３７０は、流路３８２ａ、流路３８２ｂ、流路３８２ｃ、及び流路３８２ｄを備える。流路３８２ａ、流路３８２ｂ、流路３８２ｃ、及び流路３８２ｄによって、液体ポンプ１００又は２００と、加熱器３７４、膨張機３７６、及び放熱器３７８が、この順番で環状に接続されている。

流路３８２ａは、液体ポンプ１００もしくは２００の出口と加熱器３７４の入口とを接続している。液体ポンプ１００、２００の吐出管１６０、２６０が、流路３８２ａの少なくとも一部を形成している。流路３８２ｂは、加熱器３７４の出口と膨張機３７６の入口とを接続している。流路３８２ｃは、膨張機３７６の出口と放熱器３７８の入口とを接続している。流路３８２ｄは、放熱器３７８の出口と液体ポンプ１００、２００の入口とを接続している。液体ポンプ１００、２００の吸入管１５８、２５８は、流路３８２ｄの少なくとも一部を形成している。また、膨張機３７６には、発電機３８０が接続されている。

図７に示す通り、加熱器３７４には、熱媒体の流路３７４ａが接続されている。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。熱媒体が温水などの液体である場合、加熱器３７４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３７４として、フィンチューブ熱交換器が望ましく使用される。

また、膨張機３７６は、例えば、容積型又は速度型の膨張機である。

また、放熱器３７８には、冷却媒体の流路３７８ａが接続されている。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３７８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３７８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。

［３−２． ランキンサイクル装置の動作］
液体ポンプ１００又は２００で、液体作動流体が加熱器３７４に圧送される。加熱器３７４は、ランキンサイクルの作動流体を加熱する。加熱器３７４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液体作動流体を加熱して蒸発させる。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、サイクルの高低圧力差を大きくすることが望ましい。

膨張機３７６は、加熱器３７４によって加熱された作動流体を膨張させて、回転動力を得る。この回転動力が発電機３８０によって電気に変換される。

放熱器３７８は、膨張機３７６によって膨張した作動流体の有する熱を放熱する。放熱器３７８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、作動流体が液体状態となる。

［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３７０に、実施の形態１に記載の液体ポンプ１００、または、実施の形態２に記載の液体ポンプ２００を用いた。

所定の圧力条件で動作する、ランキンサイクルの効率を上げるためには、加熱器３７４
を出た後のガス作動流体の温度を上げることが重要である。そのためには、液体ポンプに吸入する作動流体の過冷却度を小さくする必要がある。過冷却度が小さいと、従来技術では、液体ポンプの軸受空間で高圧から低圧に減圧された場合、液体作動流体の飽和温度に達しやすくなり、液体作動流体がガス化しやすくなる。

これに対して本開示の液体ポンプ１００又は２００を用いると、軸受空間における液体作動流体のガス化を抑制できるので、ランキンサイクル装置３７０の信頼性を向上することができる。さらに液体ポンプ１００又は２００の吸入口における作動流体の過冷却度を小さくすることができるので、ランキンサイクルの発電効率を上げることができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１および２、３を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１および２、３で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

実施の形態１および２では、昇圧機構１４８は内接式のギヤポンプとしていたが、内接式のギヤポンプ以外のギヤポンプ、ローリングピストンポンプ、ベーンポンプ、スクロールポンプなどの容積型ポンプ、遠心ポンプ、斜流ポンプ、及び軸流ポンプなどの速度型ポンプ、又はスクリューポンプ、またはネジ式ポンプにしても良い。昇圧機構１４８を上記のポンプでも、内接式のギヤポンプと同等の効果を有する。

実施の形態１および２の貯留空間の、長手方向に垂直な断面形状は、凹状であればよく、具体的には、円弧形状、矩形形状、三角形状、楕円形状にしても良い。また、貯留空間は必ずしも長手方向にまっすぐ直線状でなくてもよい。上記形状でも、同等の効果を有する。

実施の形態２の貯留空間２１２、２２８は、シャフト２０８の外周面の一部を凹状にすることにより構成しているが、第一軸受２１０及び第二軸受２２６の内周面の一部を凹状にすることにより構成しても良い。螺旋状の貯留空間を第一軸受２１０及び第二軸受２２６の側に構成することでも、シャフト２０８の側に螺旋状の貯留空間を構成する場合と同等の効果を有する。

実施の形態３のランキンサイクル装置３７０の作動流体は、特に制限されないが、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、又はＲ−２４５ｆａである。炭化水素は、例えば、プロパン、ブタン、ペンタン、又は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二種類以上が混合されて使用されてもよい。また、作動流体として、水、二酸化炭素、及びアンモニウムなどの無機作動流体を使用してもよい。これらの作動流体を適用しても同等の効果を有する。

また、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。上記の膨張機を適用することでも同等の効果を有する。

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。

本開示は、液体作動流体を用いる液体ポンプおよ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、本開示は適用可能である。

１００、２００ 液体ポンプ
１０２、２０２ 圧力容器
１０４ 電動要素
１０４ａ 固定子
１０４ｂ 回転子
１０６ ポンプ要素
１０８、２０８ シャフト
１１０、２１０ 第一軸受
１１０ａ、１２６ａ 昇圧機構側端
１１２、２１２ 貯留空間
１１２ａ、２１２ａ 昇圧機構側端
１１４ 第一軸受部材
１１４ａ 端面
１１６ 吐出ポート
１１８ 吸入ポート
１２０、１３８ 連通路
１２２、１４０ 経路
１２６、２２６ 第二軸受
１２８、２２８ 貯留空間
１２８ａ、２２８ａ 昇圧機構側端
１３０ 第二軸受部材
１３０ａ 端面
１３２ 吸入ポート
１３４ 吐出ポート
１３６ 低圧空間
１３７、２３７ 高圧空間
１４６ 作動室
１４６ａ 吸入室
１４６ｂ 吐出室
１４８、２４８ 昇圧機構
１４８ａ、２４８ａ インナーギヤ
１４８ｂ、２４８ｂ アウターギヤ
１５０、２５０ ポンプケース
１５２ キー部材
１５６ 端子
１５８、２５８ 吸入管
１６０、２６０ 吐出管
２６２ 流入孔
２６４、２６５ 流出孔
３７０ ランキンサイクル装置
３７４ 加熱器
３７４ａ、３７８ａ、３８２ａ、３８２ｂ、３８２ｃ、３８２ｄ 流路
３７６ 膨張機
３７８ 放熱器
３８０ 発電機

Claims (5)

1. 液体作動流体を貯留する第１空間と前記第１空間よりも高圧の液体作動流体を貯留する第２空間とを有する圧力容器と、
   前記圧力容器内に配置されたシャフトと、
   前記シャフトを前記シャフトの半径方向に支持する軸受と、
   前記シャフトの回転により前記第１空間の液体作動流体を吸入して昇圧し、前記第２空間へ前記高圧の液体作動流体を吐出する昇圧機構と、
   前記シャフトと前記軸受との間に前記第２空間と連通して配置され、前記シャフトの半径方向において、前記シャフトの外周面と前記軸受の内周面との最短距離よりも幅が広く、前記昇圧機構で昇圧された前記高圧の液体作動流体で満たされる貯留空間と、
   を有する液体ポンプ。
2. 前記貯留空間は、
   前記シャフトに対向する前記軸受の前記内周面の一部が凹状に形成された空間である、請求項１に記載の液体ポンプ。
3. 前記貯留空間は、
   前記軸受に対向する前記シャフトの前記外周面の一部が凹状に形成された空間である、請求項１に記載の液体ポンプ。
4. 前記シャフトは、
   内部において軸方向に伸び且つ両端が前記第２空間に連通し、前記高圧の液体作動流体が流れる第１の孔と、
   前記内部において前記第１の孔と前記外周面とを接続し、前記高圧の液体作動流体が流れる第２の孔と、
   を有し、
   前記貯留空間は、
   前記シャフトの前記外周面上に螺旋状に形成され、一端が前記第２の孔を介して前記第１孔に連通する、
   請求項３に記載の液体ポンプ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の液体ポンプと、
   前記液体ポンプから圧送された前記高圧の液体作動流体を加熱して気化した気体作動流体を生成する加熱器と、
   前記気体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気体作動流体の熱を放熱して前記液体作動流体を生成する放熱器と、
   を備え、
   前記液体ポンプは、
   前記放熱器から流出した前記液体作動流体を前記第１空間に吸入し、吸入した前記液体作動流体を前記昇圧機構により昇圧して前記高圧の液体作動流体を生成し、前記高圧の液体作動流体を前記加熱器へ圧送する、
   ランキンサイクル装置。

Images