JP5109607B2 - ポンプ一体型膨張機およびそれを備えたランキンサイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、太陽熱や排熱を利用したランキンサイクル装置に利用されるポンプ一体型膨張機、およびそれを備えたランキンサイクル装置に関する。

ランキンサイクル装置の一部を構成する流体機械として、第１段目膨張機構、第２段目膨張機構、および発電機を一体化させて構成した膨張機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、従来の２段階膨張機構および発電機を備えた膨張機４００の概略構成図である。図７は、従来の膨張機４００を用いたランキンサイクル装置４５０の概略構成図である。

図６、図７に示すように、従来の膨張機４００は、密閉容器４０４の内部に、第１段目膨張機構４０１と、発電機４０３と、第２段目膨張機構４０２とが一体化されている。従来の膨張機４００を用いたランキンサイクル装置４５０は、凝縮器４１０、ポンプ４１１、集熱器４１２、および内部熱交換器４１３により構成されている。膨張機４００の第１段目膨張機構４０１と第２段目膨張機構４０２との間には、再加熱器４１４が配置されている。なお、図６においては、再加熱器４１４の図示を省略している。

冷媒は、ポンプ４１１に吸入されて加圧される。加圧された冷媒は、ポンプ４１１から吐出されて内部熱交換器４１３を通過し、集熱器４１２に吸入されて加熱される。加熱された冷媒は、集熱器４１２から吐出され、膨張機４００の第１段目膨張機構４０１に吸入されて膨張する。膨張した冷媒は、第１段目膨張機構４０１から吐出され、再加熱器４１４に吸入されて加熱される。加熱された冷媒は、再加熱器４１４から吐出され、第２段目膨張機構４０２に吸入されて膨張する。膨張した冷媒は、第２段目膨張機構４０２から吐出されて内部熱交換器４１３を通過し、凝縮器４１０に吸入されて放熱する。放熱した冷媒は、凝縮器４１０から吐出されて、再びポンプ４１１に吸入される。なお、内部熱交換器４１３では、ポンプ４１１から吐出された冷媒と、第２段目膨張機から吐出された冷媒とが互いに熱交換を行う。

従来の膨張機４００では、上記膨張過程において発生する膨張エネルギーが、機械エネルギーに変換される。変換された機械エネルギーは、発電機４０３を駆動させることにより電力を発生させ、その一部はランキンサイクル装置を運転するための電力として利用される。また、内部熱交換器４１３を用いることで、集熱器４１２の加熱量を低減し、加熱量に対するランキンサイクル装置４５０の発電効率を向上させている。さらに、第１段目膨張機構４０１で膨張した作動流体を再加熱器４１４により再加熱することで、第２段目膨張機構４０２で回収される機械エネルギーを増加させている。

しかしながら、従来の膨張機４００は、ポンプ４１１と別々に構成されているため、ランキンサイクル装置４５０には、ポンプ４１１を駆動させる電動機が必要になり、上記電動機には、常に電力が供給されていなくてはならない。

これを解決する方法として、膨張機構、ポンプ機構、および発電機をシャフトにより動力伝達可能に接続し、膨張機構で得られた機械エネルギーを利用して、ポンプ機構と発電機とを駆動するポンプ一体型膨張機が知られている（例えば、特許文献２参照）。

図８は、従来のポンプ一体型膨張機５００の縦断面図である。図８に示すように、従来のポンプ一体型膨張機５００は、密閉容器５０５の内部に、膨張機構５０１と、発電機５０３と、ポンプ機構５０２とを順に配置し、シャフト５０４により一軸に連結されて構成されている。これにより、作動流体の膨張過程において発生する膨張エネルギーが、機械エネルギーに変換され、シャフト５０４を介して発電機５０３およびポンプ機構５０２の動力となる。

膨張機構５０１で膨張した作動流体は、密閉容器５０５の内部空間に吐出される。吐出された作動流体は、発電機５０３を通過して、フィン５０６近傍へ下降する。フィン５０６近傍へ下降した作動流体は、ポンプ機構５０２で昇圧送液された作動流体と積極的に熱交換して、密閉容器５０５の外部に吐出される。

しかしながら、従来のポンプ一体型膨張機５００におけるポンプ機構５０２は、膨張機構５０１から吐出されて発電機５０３を通過した高温の作動流体に曝されるため、ポンプ機構５０２に吸入された低温の作動流体が加熱されてしまう。これにより、ポンプ機構５０２に吸入された作動流体の密度および質量流量が低下するため、ポンプ一体型膨張機５００の効率が低下する。

また、従来のポンプ一体型膨張機５００のような、密閉容器５０５の上方に膨張機構５０１、下方にポンプ機構５０２を配置するレイアウトでは、膨張機構５０１の摺動部を潤滑するためのオイルを上方へ供給するか、ボールベアリングのような軸受機構を備える必要がある。上方の膨張機構５０１へオイルを供給する場合、オイルを汲み上げるオイルポンプが必要となる上、膨張機構５０１を潤滑した高温のオイルが下方のポンプ機構５０２に降り注ぐため、ポンプ機構５０２に吸入された低温の作動流体が加熱されて、ポンプ一体型膨張機５００の効率が低下する。また、ボールベアリングのような軸受機構を備えて他の摺動箇所に積極的なオイル供給を行わない場合、オイル不足により、他の摺動箇所の潤滑性が悪化するため、膨張機構５０１の機械効率が低下し、結果的にポンプ一体型膨張機５００の効率が低下する。

これを解決する方法として、密閉容器の内部に、上から発電機と、膨張機構と、ポンプ機構とを順に配置し、密閉容器の底部に、外部の凝縮器で冷却された液相の作動流体を吸入して、ポンプ機構により吸入した作動流体を昇圧して密閉容器の外部に吐出するポンプ一体型膨張機が知られている（例えば、特許文献３参照）。

図９は、従来のポンプ一体型膨張機６００の縦断面図である。図９に示すように、従来のポンプ一体型膨張機６００は、密閉容器６０５の内部に、発電機６０３と、膨張機構６０１と、ポンプ機構６０２とを順に配置し、シャフト６０４により一軸に連結されて構成されている。密閉容器６０５の外部には、膨張機構６０１の吸入側とポンプ機構６０２の吐出側にそれぞれ接続された加熱装置（図示せず）、および、膨張機構６０１の吐出側とポンプ機構６０２の吸入側にそれぞれ接続された凝縮器（図示せず）を設けている。これにより、密閉容器６０５の内部では、膨張機構６０１を通過する高温の作動流体と、ポンプ機構６０２を通過する低温の作動流体とが区画される。また、密閉容器６０５の底部に溜まった液相の作動流体にオイルを混入して、作動流体と共にランキンサイクル装置内を循環することで、摺動箇所の潤滑が行われる。

しかしながら、上記のように、凝縮器で冷却された低温の作動流体にオイルを混入する方法では、オイルに大量の作動流体が溶解することで、オイルの粘度が低下して潤滑性が悪化し、摺動部材の接触による摩擦係数の増加によって機械損失が増加する。また、オイルが作動流体と共にランキンサイクル装置を循環するため、加熱装置や凝縮器内の配管壁面にオイルが付着して、配管と作動流体との伝熱を阻害してしまう。
特開２００４−３４６７５９号公報 特開２００７−１３８７９７号公報 特開平６−１５９０１５号公報

上記従来の課題を解決するために、本発明は、膨張機構とポンプ機構との熱移動を防止し、かつ、膨張機構とポンプ機構とにオイルを容易に供給させることができるポンプ一体型膨張機を提供することを目的とする。

本発明のポンプ一体型膨張機は、オイルが溜められるオイル溜まりが底部に形成され、集熱過程の作動流体を通過させる密閉容器と、前記密閉容器内に設けられた発電機と、前記密閉容器内における前記発電機の下方に配置され、前記密閉容器外から吸入した作動流体を膨張させて前記密閉容器外に吐出する膨張機構と、前記密閉容器内における前記膨張機構の下方に配置され、前記密閉容器外から吸入した作動流体を昇圧送液して前記密閉容器外に吐出するポンプ機構と、前記発電機と前記膨張機構とを連結する膨張機構側シャフトと、前記ポンプ機構に接続されたポンプ機構側シャフトと、前記膨張機構と前記ポンプ機構との間で前記膨張機構側シャフトと前記ポンプ機構側シャフトとを連結する連結機構と、前記膨張機構側シャフトの外周面に対向する内周面を有し、前記発電機側で前記膨張機側シャフトを回転自在に支持する前記膨張機構の上軸受部材および前記ポンプ機構側で前記膨張機側シャフトを回転自在に支持する前記膨張機構の下軸受部材と、前記膨張機構側シャフトの内部、前記膨張機構側シャフトの外周面、前記膨張機構の上軸受部材および前記膨張機構の下軸受部材の内周面のいずれかに形成され、前記膨張機構にオイルを供給するオイル供給経路と、を備え、前記オイル溜まりのオイル界面が、前記膨張機構の摺動部を潤滑し、かつ前記膨張機構の上軸受部材の上面より下に位置し、前記膨張機構側シャフトにおける前記ポンプ機構よりも上側の部分に、前記オイル供給経路にオイルを吸入するオイル吸入孔が形成されているものである。

上記本発明のポンプ一体型膨張機によれば、集熱過程で適度に加熱された作動流体が、密閉容器内部を通過して発電機を冷却し、再び集熱過程に戻される。そのため、耐熱温度の観点から、発電機のコイルに施す被覆のグレードを上げる必要がなくなり、安価な材料を使用することができる。また、密閉容器の内部を通過する作動流体が気相もしくは臨界温度以上の超臨界ガスであり、作動流体が伴っていたオイルは密閉容器の内部で分離されるため、密閉容器の内部に作動流体の溶解が少ないオイルを適切に保持することができる。

また、密閉容器の内部には、オイルの界面が膨張機構の摺動部を潤滑し、かつ、前記膨張機構の軸受部材の上面より下に位置する量のオイルが封入され、膨張機構とポンプ機構の周囲は常にオイルで満たされる。そのため、摺動箇所の潤滑に作動流体の溶解が少ないオイルを容易に供給することができる。

さらに、集熱器で加熱された高温の作動流体が膨張する膨張機構の下に、凝縮器で冷却された低温の作動流体を送液するポンプ機構が設けられることで、オイル溜まりのオイルに温度成層が形成される。すなわち、膨張機構周辺のオイルの温度は高く、下方のポンプ機構周辺のオイルの温度は低くなる。そのため、膨張機構からポンプ機構へのオイルを介した熱移動が抑制され、ポンプ一体型膨張機の効率が低下しない。また、オイルの上方には、密度の小さい、気相もしくは臨界温度以上の超臨界ガスの作動流体が存在するので、密度差によって高温のオイルが作動流体と混ざり合うことも無いため、膨張機構から集熱過程の作動流体へのオイルを介した熱移動も抑制することができる。そのため、膨張機構へ吸入された作動流体の温度が低下せず、ポンプ一体型膨張機の効率が低下しない。

また、膨張機構にオイルを供給するオイル供給経路のオイル吸入孔が、ポンプ機構よりも高い位置に配置されることで、膨張機構には、ポンプ機構よりも高い位置にある比較的高温のオイルが供給され、ポンプ機構には、上記オイル吸入孔よりも低い位置にある比較的低温のオイルが供給される。すなわち、膨張機構の潤滑に供される高温のオイルの循環を、ポンプ機構よりも上方で完結させることで、高温のオイルからポンプ機構が受熱することを防止することができる。そのため、膨張機構とポンプ機構との間でのオイルを介した熱移動が抑制され、ひいてはランキンサイクル装置の効率が向上する。

本発明のポンプ一体型膨張機およびそれを備えたランキンサイクル装置によれば、密閉容器内のオイル循環を、密閉容器の上側に位置する膨張機構側の循環と、密閉容器の下側に位置するポンプ機構側の循環とに大別することができるので、膨張機構とポンプ機構における熱移動を防止し、かつ、膨張機構とポンプ機構とにオイルを容易に供給させることができ、ランキンサイクル装置を効率よく安定して運転させることができる。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるポンプ一体型膨張機１００の縦断面図である。図１に示すように、本実施の形態１におけるポンプ一体型膨張機１００は、密閉容器１の内部に、外部からの電力供給を受けて電動機としても機能する発電機２と、作動流体を膨張させる膨張機構４と、作動流体を昇圧送液するポンプ機構３とを上から順に備えており、膨張機構側シャフト５とポンプ機構側シャフト６とにより、連結機構５０を介して一軸に連結されている。これにより、膨張機構４で発生した動力は、１本化された膨張機構側シャフト５およびポンプ機構側シャフト６を介して、発電機２およびポンプ機構３へ伝達される。なお、連結機構５０の具体的構成は特に限定されないが、例えば、膨張機構側シャフト５およびポンプ機構側シャフト６のそれぞれとスプライン嵌合する円板状部材などを好適に用いることができる。

密閉容器１の底部には、オイル溜まり１４が設けられ、ポンプ機構３および膨張機構４の各摺動部を潤滑するためのオイル４０が貯留されている。本実施の形態１において、オイル溜まり１４の界面は、膨張機構４の摺動部を潤滑し、かつ後述する膨張機構４の軸受部材１５の上面より下に位置している。なお、ここでいう「底部」とは、任意の所定位置の下側を意味し、絶対的な位置を意味する訳ではない。例えば、上記所定位置が密閉容器１の上下方向における中間位置よりも高い位置にある場合でも、上記位置は「底部」に含まれる。

密閉容器１には、発電機２と膨張機構４との間の内部空間と連通する吸入配管１０と、発電機２上の内部空間と連通する吐出配管１１が、それぞれ貫通して設けられている。また同様に、ポンプ機構３と連通するポンプ機構吸入配管８およびポンプ機構吐出配管９、膨張機構４と連通する膨張機構吸入配管１２および膨張機構吐出配管１３が、それぞれ貫通して設けられている。

発電機２は、密閉容器１の内周面に取り付けられた固定子２ａと、膨張機構側シャフト５に固定された回転子２ｂとを有している。固定子２ａは、密閉容器１の頂部に設けられたターミナル７に、電線２１を介して接続されている。

膨張機構４は、軸受部材１５、第１シリンダ４１ａ、第２シリンダ４１ｂ、第１ピストン４２ａ、第２ピストン４２ｂ、仕切部材４３、および下軸受部材４４により構成された２段ロータリ式の膨張機構である。なお、膨張機構４はロータリ式に限られることはなく、他の回転式膨張機構であってもよい。その具体的構成も何ら限定されるものではない。

軸受部材１５は、膨張機構側シャフト５の中間部を回転自在に支持している。軸受部材１５の内部には、吸入路１５ａが形成され、膨張機構吸入配管１２と連通している。軸受部材１５の下側には、第１シリンダ４１ａと第２シリンダ４１ｂとが、仕切部材４３を介して設けられている。第２シリンダ４１ｂの下側には、下軸受部材４４が設けられている。軸受部材１５、第１シリンダ４１ａ、仕切部材４３、第２シリンダ４１ｂ、および下軸受部材４４は、ボルト４６によって一体的に固定されている。

第１シリンダ４１ａの内部空間には、第１ピストン４２ａが配置され、膨張機構側シャフト５に形成された第１偏心部５ａに嵌合している。第２シリンダ４１ｂの内部空間には、第２ピストン４２ｂが配置され、膨張機構側シャフト５に形成された第２偏心部５ｂに嵌合している。また、第２シリンダ４１ｂの内部には、径方向に吐出路４１ｂａが貫通して形成され、膨張機構吐出配管１３と連通している。

第１シリンダ４１ａ、第１ピストン４２ａ、軸受部材１５、および仕切部材４３により、第１作動室４７ａが形成され、軸受部材１５の吸入路１５ａと連通している。第２シリンダ４１ｂ、第２ピストン４２ｂ、仕切部材４３、および下軸受部材４４により、第２作動室４７ｂが形成され、第２シリンダ４１ｂの吐出路４１ｂａと連通している。第１作動室４７ａと第２作動室４７ｂとは、仕切部材４３に形成された連通孔４３ａにより連通した時、作動流体の吸入過程、膨張過程および吐出過程を行う１つの膨張室となる。

膨張機構側シャフト５の内部には、膨張機構４の各摺動部にオイルを導くためのオイル供給経路５３が形成されている。オイル供給経路５３は、膨張機構側シャフト５の下方よりオイルを吸い込むオイル吸入孔５３ａと、膨張機構側シャフト５の中心を軸方向に貫通する縦流路５３ｂと、縦流路５３ｂのオイルを各摺動部へ供給するオイル供給孔５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆ、５３ｇとにより構成されている。膨張機構側シャフト５の下端部には、閉止部材５３ｈが嵌め込まれており、縦流路５３ｂの下側開口部を塞いでいる。

オイル吸入孔５３ａは、膨張機構側シャフト５の下側、かつ、ポンプ機構３より上側に、水平方向に開口するよう形成されている。なお、オイル吸入孔５３ａの開口方向は上記に限定されることはなく、例えば、水平方向に対して傾斜させた方向であってもよい。オイル供給孔５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆ、５３ｇは、膨張機構側シャフト５の膨張機構４との摺動部、具体的には、第１ピストン４２ａ、第２ピストン４２ｂ、軸受部材１５、仕切部材４３、および下軸受部材４４との摺動部に形成されている。

ポンプ機構３は、シリンダ３１、ピストン３２、軸受部材３５、および下軸受部材３６により構成されたロータリ式のポンプ機構である。なお、ポンプ機構３はロータリ式に限られることはなく、他の回転式ポンプ機構であってもよい。その具体的構成は何ら限定されるものではない。

シリンダ３１の上側には、軸受部材３５、また下側には、下軸受部材３６が設けられている。軸受部材３５および下軸受部材３６は、膨張機構側シャフト５に連動して回転するポンプ機構側シャフト６を軸支している。軸受部材３５、シリンダ３１、および下軸受部材３６は、ボルト３７によって一体的に固定されている。また、軸受部材３５の上面には、円筒形状の固定用部材５１が配置され、ボルト６５によって軸受部材３５の上面に、かつ、溶接や焼き嵌め等の方法によって密閉容器１の内周面に固定されている。なお、固定用部材５１と密閉容器１とは、より少ない面積で接触していることが望ましい。例えば、固定用部材５１の外周部に、オイル戻し用の流路としても機能する切り欠きや凹凸を形成して、固定用部材５１と密閉容器１とが点接触もしくは線接触で接するようにしてもよい。

シリンダ３１の内部空間には、ピストン３２が配置され、ポンプ機構側シャフト６に形成された偏心部６ａに嵌合している。シリンダ３１の内部には、径方向に吸入路３１ａが貫通して形成され、ポンプ機構吸入配管８と連通している。また同様に、シリンダ３１の内部には、径方向に吐出路３１ｂが貫通して形成され、ポンプ機構吐出配管９と連通している。

シリンダ３１、ピストン３２、軸受部材３５、および下軸受部材３６により、ポンプ室３３が形成され、シリンダ３１の吸入路３１ａおよび吐出路３１ｂとそれぞれ連通している。

ポンプ機構側シャフト６の内部には、ポンプ機構３の摺動部にオイルを導くためのオイル供給経路７３が形成されている。オイル供給経路７３は、ポンプ機構側シャフト６の下端部よりオイルを吸い込むオイル吸入孔７３ａと、ポンプ機構側シャフト６の中心を貫通する縦流路７３ｂと、縦流路７３ｂのオイルをポンプ機構側シャフト６のポンプ機構３との摺動部、具体的には、ピストン３２、軸受部材３５、および下軸受部材３６との摺動部に供給するオイル供給孔７３ｃ、７３ｄ、７３ｅとにより構成されている。

本実施の形態１において、ポンプ機構３と膨張機構４とは上下方向に分離して配置されており、オイル溜まり１４の一部が、ポンプ機構３と膨張機構４の間の緩衝空間１４ａとして機能する。緩衝空間１４ａ（オイル溜まり１４の一部）には、流動抑制板５２が、膨張機構４の下側、具体的には、オイル吸入孔５３ａよりも下側に設けられている。これにより、緩衝空間内のオイルには温度成層が形成され、流動抑制板５２より上側に位置するオイルは、流動抑制板５２より下側に位置するオイルよりも高温となる。

流動抑制板５２は、中心部に孔７１が形成された略環状板であり、流動抑制板５２と膨張機構側シャフト５との干渉を防止することができる。また、流動抑制板５２の外径は、密閉容器１の内径よりも若干小さく形成されており、流動抑制板５２の外周面と密閉容器１の内周面との間には、クリアランス７０が設けられている。流動抑制板５２は、膨張機構４の下端部外縁に設けられたスペーサ５５を介して、膨張機構４にボルト５４によって固定されている。なお、流動抑制板５２の固定先は膨張機構４に限定されることはなく、ポンプ機構３であっても可能である。

次に、本実施の形態１におけるポンプ一体型膨張機１００での作動流体およびオイルの流れを説明する。

ポンプ機構３において、低温低圧の作動流体は、ポンプ機構側シャフト６の回転により、ポンプ機構吸入配管８から吸入路３１ａを介してポンプ室３３へ吸入される。吸入された作動流体は、昇圧送液されて、吐出路３１ｂを介してポンプ機構吐出配管９より密閉容器１の外部へ吐出される。オイル溜まり１４のオイル４０は、ポンプ機構側シャフト６の回転により、密閉容器１底部に配置されたオイル吸入孔７３ａより吸入され、縦流路７３ｂを介してオイル供給孔７３ｃ、７３ｄ、７３ｅより各摺動部へ供給される。

密閉容器１の膨張機構４と発電機２との間の内部空間と連通する吸入配管１０には、ポンプ機構３より吐出されて密閉容器１の外部を循環した作動流体が、再び吸入される。吸入された作動流体は、密閉容器１の上方へと流れながら発電機２を冷却し、吐出配管１１より吐出される。作動流体と共に吸入されたオイルは、作動流体よりも密度が重いため、上記密閉容器１の内部空間で作動流体の旋回流により分離され、上記内部空間を流れていたオイルと共に、オイル溜まり１４へ下降する。

膨張機構４において、高温高圧の作動流体は、膨張機構吸入配管１２から吸入路１５ａを介して第１作動室４７ａに吸入される。吸入された作動流体は、膨張室で膨張して、吐出路４１ｂａを介して膨張機構吐出配管１３より密閉容器１の外部へ吐出される。オイル溜まり１４のオイル４０は、膨張機構側シャフト５の回転により、流動抑制板５２より上側に設けられたオイル吸入孔５３ａより吸入され、縦流路５３ｂを介してオイル供給孔５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆ、５３ｇより各摺動部へ供給される。

上記膨張過程では、作動流体の膨張エネルギーが、膨張機構側シャフト５を回転駆動させるエネルギーとなり、さらには連結機構５０およびポンプ機構側シャフト６を介して、ポンプ機構３を駆動させるエネルギーとなる。また、膨張機構４で得られたエネルギーは、発電機２を駆動させるエネルギーに利用される。

図２は、本発明の実施の形態１におけるポンプ一体型膨張機１００を備えたランキンサイクル装置１２０の構成図である。図３は、本発明の実施の形態１におけるポンプ一体型膨張機１００を備えたランキンサイクル装置１２０のモリエル線図である。

図２に示すように、本実施の形態１におけるポンプ一体型膨張機１００を備えたランキンサイクル装置１２０は、ポンプ機構３と、内部熱交換器１０３と、密閉容器１と、集熱器１０４と、膨張機構４と、凝縮器１０５とが、主作動流体回路１１０により環状に接続されることで構成されている。主作動流体回路１１０は、第１配管１１１、第２配管１１２、第３配管１１３、第４配管１１４、第５配管１１５、第６配管１１６、第７配管１１７により構成されている。発電機２には、電源１０１およびパワーコンディショナー１０２が、インバータを兼ねるコンバータ１０６を介して接続されている。

なお、上述したように、膨張機構４で得られたエネルギーは、発電機２を駆動させるエネルギーとして利用することができる。これにより、発電機２は発電して、コンバータ１０６を介してパワーコンディショナー１０２に電力を供給することで、他の需要を満たすことができる。また、発電機２は、膨張機構４で得られたエネルギーにより電力を発生させる際、発生電力の一部を鉄損や銅損などで失うため、発熱する。

次に、本実施の形態１におけるポンプ一体型膨張機１００を備えたランキンサイクル装置１２０の動作および作動流体の循環経路について、図２、図３を用いて説明する。

図２に示すように、電源１０１からコンバータ１０６を介して発電機２へ電力が供給されると、発電機２は、電動機として駆動し、膨張機構側シャフト５およびポンプ機構側シャフト６を回転させると共に、ポンプ機構３を駆動させる。これにより、低温低圧の作動流体がポンプ室３３に吸入される。この時の作動流体の状態を図３の点ａに示す。

吸入された作動流体は、昇圧送液されて中温高圧となる。ポンプ機構３より吐出される時には、作動流体は図３の点ｂの状態となり、第１配管１１１を通じて内部熱交換器１０３の高圧側流路に吸入される。

吸入された作動流体は、内部熱交換器１０３内の反対側を流れる作動流体と熱交換して吸熱する。内部熱交換器１０３より吐出される時には、作動流体は図３の点ｃの状態となり、第２配管１１２を通じて密閉容器１に吸入される。

吸入された作動流体は、発電機２を冷却することにより、さらに吸熱する。密閉容器１より吐出される時には、作動流体は図３のｄ点の状態となり、第３配管１１３を通じて集熱器１０４に吸入される。

吸入された作動流体は、集熱器１０４で集熱された熱（排熱や太陽熱）で加熱されることにより、さらに一層吸熱する。集熱器４より吐出される時には、作動流体は図３のｅ点の状態となり、第４配管１１４を通じて膨張機構４に吸入される。

吸入された作動流体は、膨張して中温低圧となる。膨張機構４より吐出される時には、作動流体は図３の点ｆの状態となり、第５配管１１５を通じて内部熱交換器１０３に吸入される。

吸入された作動流体は、内部熱交換器１０３内の反対側を流れる作動流体と熱交換して放熱する。内部熱交換器１０３より吐出される時には、作動流体は図３の点ｇの状態となり、第６配管１１６を通じて凝縮器１０５に吸入される。

吸入された作動流体は、冷却されることにより凝縮し、さらに放熱する。凝縮器１０５より吐出される時には、作動流体は図３の点ａの状態となり、第７配管１１７を通じて再びポンプ機構３に吸入される。

上記ランキンサイクル装置１２０の動作において、ポンプ機構３は、凝縮器１０５を経て低温低圧液になった作動流体を昇圧送液するので、低温になる。一方、膨張機構４では、集熱器１０４を経て温度が上昇した高温高圧の作動流体が断熱膨張して、圧力と共に低温となる。しかしながら、膨張した作動流体は、ポンプ機構３の作動流体よりもはるかに高温であるので、膨張機構４は高温になる。

このように、本実施の形態１のポンプ一体型膨張機１００によれば、発電機２を密閉容器１の上部に配置することで、内部熱交換器１０３で熱交換して吸熱した作動流体を用いて、発熱する発電機２を冷却することができる。また、上記作動流体が密閉容器１を通過する際、作動流体に含まれるオイルが作動流体から分離されることで、密閉容器１内のオイルが外部に流出することを抑制し、オイル不足を回避することができる。

また、密閉容器１内における作動流体とオイルの密度差を考慮して、高温の膨張機構４を密閉容器１の中間位置、かつ、オイル溜まり１４の上部に、低温のポンプ機構３を密閉容器１の下部、かつ、オイル溜まり１４の下部に配置することで、膨張機構４の熱が、膨張機構４の周囲を満たす高温のオイルを介して、ポンプ機構３の内部を通過する作動流体へ移動することを抑制することができる。

また、膨張機構４のオイル吸入孔５３ａを、膨張機構側シャフト５の下側、かつ、ポンプ機構３より上側に、ポンプ機構３のオイル吸入孔７３ａを、密閉容器１の下端部近傍に設けることで、高温の膨張機構４に対しては比較的高温のオイルを、低温のポンプ機構３に対しては比較的低温のオイルをそれぞれ供給することができ、オイルを介したポンプ機構３と膨張機構４との間の熱移動を抑制することができる。

さらには、緩衝空間（オイル溜まり１４の一部）のオイル吸入孔５３ａより下側に流動抑制板５２を設けることにより、オイルの自然対流を抑制してオイルに温度成層を形成することができるので、膨張機構４からオイルを介したポンプ機構３への熱移動を抑制することができる。発電機２の回転によって密閉容器１内に作動流体の旋回流が発生し、それに伴って膨張機構４側の高温のオイルが流動したとしても、この高温のオイルが流動抑制板５２よりも下の低温のオイルと混合することは抑制される。すなわち、流動抑制板５２よりも上の高温のオイルが流動したとしても、その流動は流動抑制板５２によって抑制されるので、流動抑制板５２よりも下の低温のオイルが激しく攪拌されるおそれはない。したがって、高温のオイルと低温のオイルとが混合することを抑制することができ、オイルを介したポンプ機構３と膨張機構４との間の熱移動を効果的に抑制することができる。また、オイル吸入孔５３ａには、流動抑制板５２より上側の高温のオイルを確実に取り込むことができる。

さらに、流動抑制板５２は、密閉容器１の内周面との間にはクリアランス７０、中心部には孔７１を有するので、膨張機構側シャフト５の円滑な回転が可能であり、余分な機械損失を生じることがない。また、流動抑制板５２を、膨張機構４にボルト５４とスペーサ５５とを用いて固定するだけの簡単かつ安価な構成によって、オイルを介したポンプ機構３と膨張機構４との間の熱移動を抑制することができる。

本実施の形態１のポンプ一体型膨張機１００によれば、ポンプ機構３とポンプ機構側シャフト６、および、膨張機構４と膨張機構側シャフト５を、それぞれ個別に組み立てた後に、ポンプ機構側シャフト６と膨張機構側シャフト５とを連結機構５０により連結することで、全体を容易に組み立てることができ、生産性の向上を図ることができる。

また、ポンプ機構３と膨張機構４との間に、オイルで満たされた緩衝空間（オイル溜まり１４の一部）を設けることで、ポンプ機構３と膨張機構４とが直接接触することを防ぐことができ、ポンプ機構３と膨張機構４との間の熱伝導を回避することができる。また、連結機構５０を緩衝空間に配置することで、緩衝空間のオイルで連結機構５０を十分に潤滑することができる。

本実施の形態１のポンプ一体型膨張機１００によれば、膨張機構側シャフト５の中心軸を貫通する縦流路５３ｂと、膨張機構側シャフト５の連結機構５０より上部において縦流路５３ｂまで貫通したオイル吸入孔５３ａと、縦流路５３ｂからポンプ機構３の摺動部までつながったオイル供給孔５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆ、５３ｇと、縦流路５３ｂの下端を閉じる閉止部材５３ｈとを備えている。そのため、縦流路５３ｂが形成された膨張機構側シャフト５に、側方からオイル吸入孔５３ａとオイル供給孔５３ｃとを形成し、縦流路５３ｂの端部を閉止部材５３ｈで塞ぐという簡便な加工によって、膨張機構４への給油経路を形成することができる。オイル供給経路５３の縦流路５３ｂの端部を閉止部材５３ｈで塞ぐことにより、オイル供給経路５３には、ポンプ機構側シャフト６に近い比較的冷却されたオイルではなく、膨張機構４周辺の高温のオイルを供給することができ、ポンプ機構３と膨張機構４との間の熱移動を抑制することができる。

本実施の形態１のポンプ一体型膨張機１００によれば、密閉容器１に溶接や焼き嵌めで固定された円筒形状の固定用部材５１に、ポンプ機構３をボルト６５等で固定することにより、ポンプ機構３と膨張機構４とを実質的に分離することができるため、連結機構５０および密閉容器１のみが、ポンプ機構３と膨張機構４との間の熱伝導による熱移動の要素となる。そのため、ポンプ機構３と膨張機構４とを単にボルトおよびスペーサなどで締結する場合と比較して、熱伝導による熱移動の影響を低減させることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるポンプ一体型膨張機２００の縦断面図である。本実施の形態２におけるポンプ一体型膨張機２００は、流動抑制板６２が相違すること以外、実施の形態１と概ね同様の構成である。以下では、実施の形態１と同一機能部品については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４に示すように、本実施の形態２における流動抑制板６２は、外周部に切り欠き６２ａを有する略環状板である。切り欠き６２ａは、流動抑制板６２の外周に沿って間欠的に径方向内側に凹ませた凹部形状である。なお、切り欠き６２ａの個数は特に限定されない。流動抑制板６２の中心部には、孔７１が形成されており、膨張機構側シャフト５との干渉を防止している。流動抑制板６２は、高温の膨張機構４に直接締結されることなく、密閉容器１の内周面に焼き嵌めや溶接等で固定されている。

このように、流動抑制板６２の外周部に切り欠き６２ａを設けることで、流動抑制板６２と密閉容器１との間の接触面を比較的小さく抑えることができるため、密閉容器１から流動抑制板６２への熱伝導を抑制することができる。また、膨張機構４と流動抑制板６２との間では、密閉容器１のみが熱伝導による熱移動の要素になる。したがって、従来例と比較して、熱伝導により下部へ向かう熱移動の影響をさらに低減させることができる。

なお、切り欠き６２ａを径方向内側に凹ませた凹部形状としたが、凹部の具体的形状等は何ら限定されることはなく、例えば、流動抑制板６２の外周部に凹凸を形成することによっても、同様の効果を得ることができる。このように、流動抑制板６２と密閉容器１とは、より少ない面積で接触していることが望ましく、さらには点接触もしくは線接触で接していることが望ましい。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３におけるポンプ一体型膨張機３００の縦断面図である。本実施の形態３におけるポンプ一体型膨張機３００は、オイル供給経路６３が相違すること以外、実施の形態２と概ね同様の構成である。以下では、実施の形態２と同一機能部品については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図５に示すように、本実施の形態３におけるオイル供給経路６３は、膨張機構側シャフト５の外周面に形成された螺旋状のオイル溝６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、６３ｅ、もしくは膨張機構４の膨張機構側シャフト５の外周面と対向する内周面を有する部材、例えば、軸受部材１５等の内周面に形成されたオイル溝で構成されている。オイル溝６３ｂは、オイル吸入孔６３ａを兼ねており、緩衝空間（オイル溜まり１４の一部）に面している。

本実施の形態３によれば、膨張機構側シャフト５の外周面や軸受部材１５等の内周面にオイル溝をそれぞれ形成するという、容易で安価な加工によって、オイル供給経路６３を形成することができる。また、膨張機構４の直下でオイル供給経路６３の下端部（オイル吸入孔６３ａ）が緩衝空間に面しているので、連結機構５０よりも上方の高温のオイルを円滑かつ確実に吸引することができる。

本発明は、ポンプ一体型膨張機、およびそれを備えたランキンサイクル装置について有用である。

本発明の実施の形態１におけるポンプ一体型膨張機の縦断面図 本発明の実施の形態１に係るランキンサイクル装置の構成図 本発明の実施の形態１に係るランキンサイクル装置のモリエル線図 本発明の実施の形態２におけるポンプ一体型膨張機の縦断面図 本発明の実施の形態３におけるポンプ一体型膨張機の縦断面図 従来の膨張機の概略構成図 従来のランキンサイクル装置の構成図 従来のポンプ一体型膨張機の縦断面図 従来のポンプ一体型膨張機の縦断面図

符号の説明

１ 密閉容器
２ 発電機
２ａ 固定子
２ｂ 回転子
３ ポンプ機構
４ 膨張機構
５ 膨張機構側シャフト
５ａ 第１偏心部
５ｂ 第２偏心部
６ ポンプ機構側シャフト
６ａ 偏心部
７ ターミナル
８ ポンプ機構吸入配管
９ ポンプ機構吐出配管
１０ 吸入配管
１１ 吐出配管
１２ 膨張機構吸入配管
１３ 膨張機構吐出配管
１４ オイル溜まり（緩衝空間）
１５ 軸受部材
１５ａ 吸入路
２１ 電線
３１ シリンダ
３１ａ 吸入路
３１ｂ 吐出路
３２ ピストン
３３ ポンプ室
３５ 軸受部材
３６ 下軸受部材
３７ ボルト
４０ オイル
４１ａ 第１シリンダ
４１ｂ 第２シリンダ
４１ｂａ 吐出路
４２ａ 第１ピストン
４２ｂ 第２ピストン
４３ 仕切部材
４３ａ 連通孔
４４ 下軸受部材
４６ ボルト
４７ａ 第１作動室
４７ｂ 第２作動室
５０ 連結機構
５１ 固定用部材
５２ 流動抑制板
５３ オイル供給経路
５３ａ オイル吸入孔
５３ｂ 縦流路
５３ｃ，５３ｄ，５３ｅ，５３ｆ，５３ｇ オイル供給孔
５３ｈ 閉止部材
５４ ボルト
５５ スペーサ
６２ 流動抑制板
６２ａ 切り欠き
６３ オイル供給経路
６３ａ オイル吸入孔
６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ，６３ｅ オイル溝
６５ ボルト
７０ クリアランス
７１ 孔
７３ オイル供給経路
７３ａ オイル吸入孔
７３ｂ 縦流路
７３ｃ，７３ｄ，７３ｅ オイル供給孔
１００，２００，３００ ポンプ一体型膨張機
１０１ 電源
１０２ パワーコンディショナー
１０３ 内部熱交換器
１０４ 集熱器
１０５ 凝縮器
１０６ コンバータ
１１０ 主作動流体回路
１１１ 第１配管
１１２ 第２配管
１１３ 第３配管
１１４ 第４配管
１１５ 第５配管
１１６ 第６配管
１１７ 第７配管
１２０ ランキンサイクル装置

Claims (9)

1. オイルが溜められるオイル溜まりが底部に形成され、集熱過程の作動流体を通過させる密閉容器と、
   前記密閉容器内に設けられた発電機と、
   前記密閉容器内における前記発電機の下方に配置され、前記密閉容器外から吸入した作動流体を膨張させて前記密閉容器外に吐出する膨張機構と、
   前記密閉容器内における前記膨張機構の下方に配置され、前記密閉容器外から吸入した作動流体を昇圧送液して前記密閉容器外に吐出するポンプ機構と、
   前記発電機と前記膨張機構とを連結する膨張機構側シャフトと、前記ポンプ機構に接続されたポンプ機構側シャフトと、
   前記膨張機構と前記ポンプ機構との間で前記膨張機構側シャフトと前記ポンプ機構側シャフトとを連結する連結機構と、
   前記膨張機構側シャフトの外周面に対向する内周面を有し、前記発電機側で前記膨張機側シャフトを回転自在に支持する前記膨張機構の上軸受部材および前記ポンプ機構側で前記膨張機側シャフトを回転自在に支持する前記膨張機構の下軸受部材と、
   前記膨張機構側シャフトの内部、前記膨張機構側シャフトの外周面、前記膨張機構の上軸受部材および前記膨張機構の下軸受部材の内周面のいずれかに形成され、前記膨張機構にオイルを供給するオイル供給経路と、を備え、
   前記オイル溜まりのオイル界面が、前記膨張機構の摺動部を潤滑し、かつ前記膨張機構の上軸受部材の上面より下に位置し、
   前記膨張機構側シャフトにおける前記ポンプ機構よりも上側の部分に、前記オイル供給経路にオイルを吸入するオイル吸入孔が形成されているポンプ一体型膨張機。
2. 請求項１に記載のポンプ一体型膨張機において、
   前記膨張機構と前記ポンプ機構とは分離され、前記膨張機構と前記ポンプ機構との間にはオイルで満たされた緩衝空間が形成されているポンプ一体型膨張機。
3. 請求項２に記載のポンプ一体型膨張機において、
   前記オイル吸入孔は、前記緩衝空間に臨んでいるポンプ一体型膨張機。
4. 請求項２に記載のポンプ一体型膨張機において、
   前記連結機構は、前記緩衝空間内に配置されているポンプ一体型膨張機。
5. 請求項２に記載のポンプ一体型膨張機において、
   前記緩衝空間内における前記オイル吸入孔よりも下側の位置に設けられ、オイルの流動を抑制する流動抑制板を備えたポンプ一体型膨張機。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のポンプ一体型膨張機において、
   前記膨張機構側シャフトの内部には、前記膨張機構側シャフトの軸方向に延びかつ少なくとも下方に開口した縦流路が形成され、
   前記膨張機構側シャフトの下端部には、前記縦流路の下側開口部を塞ぐ閉止部材が嵌め込まれ、
   前記膨張機構側シャフトにおける前記閉止部材よりも上側の部分には、前記膨張機構側シャフトの側方に開口し、前記縦流路につながる吸入路が形成され、
   前記縦流路が前記オイル供給経路を構成、前記吸入路が前記オイル吸入孔を構成しているポンプ一体型膨張機。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載のポンプ一体型膨張機において、
   前記膨張機構側シャフトの外周面には、螺旋状のオイル溝が形成され、
   前記オイル溝の下端部は、前記緩衝空間に臨み、
   前記オイル溝が前記オイル供給経路を構成し、前記オイル溝の下端部が前記オイル吸入孔を構成しているポンプ一体型膨張機。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のポンプ一体型膨張機において、
   前記密閉容器の内周面に固定された固定用部材を備え、
   前記ポンプ機構は、前記固定用部材に固定されているポンプ一体型膨張機。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載のポンプ一体型膨張機と、
   前記ポンプ機構において昇圧された作動流体と、前記膨張機構において膨張した作動流体とを熱交換させる内部熱交換器と、
   前記密閉容器を通過した昇圧後の作動流体を加熱蒸発する集熱器と、
   前記内部熱交換器を通過した膨張後の作動流体を冷却する凝縮器と、
   前記ポンプ機構において昇圧された作動流体を前記内部熱交換器に導く第１配管と、
   前記内部熱交換器を通過した作動流体を前記密閉容器に導く第２配管と、
   前記密閉容器を通過した作動流体を前記集熱器に導く第３配管と、
   前記集熱器で蒸発した作動流体を前記膨張機構に導く第４配管と、
   前記膨張機構によって膨張した作動流体を前記内部熱交換器に導く第５配管と、
   前記内部熱交換器を通過した作動流体を前記凝縮器に導く第６配管と、
   前記凝縮器で冷却された作動流体を前記ポンプ機構に導く第７配管と、
   を備えたランキンサイクル装置。

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