JP6599136B2 - 液体用ポンプ及びランキンサイクル装置 - Google Patents

Description

本開示は、液体用ポンプ及び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。このため、ランキンサイクルを有するシステムにおいて液体用ポンプが使用される。

図５に示す通り、特許文献１には、ランキンサイクルを有するシステムにおいて使用される液体用ポンプではないが、ルームエアコンディショナー等に使用され、液冷媒を搬送する冷媒ポンプ３００が記載されている。冷媒ポンプ３００は、密閉容器３１０、ブラシレス直流電動機３１１、及びポンプ機構部３１２を備える。ブラシレス直流電動機３１１は、固定子３１１ａ及び回転子３１１ｂによって構成されている。固定子３１１ａは、密閉容器３１０の外側に取り付けられ、回転子３１１ｂは、密閉容器３１０の内側に配置されている。回転子３１１ｂの最外周部には磁石３０５が張り付けられている。回転子３１１ｂの中心部には駆動軸３１３が圧入されている。駆動軸３１３は、ブラシレス直流電動機３１１で発生した回転力を伝達する。ポンプ機構部３１２は、インナーロータ３２５及びアウターロータ３２４を備える。アウターロータ３２４は、インナーロータ３２５と噛みあってポンプ室を形成する。インナーロータ３２５及びアウターロータ３２４は、シリンダ３１５内に収容され、フロントプレート３１６とリアプレート３１４とによって挟み込まれている。フロントプレート３１６の中心部には、駆動軸３１３を支持する第１の軸受３２７が配置されている。フロントプレート３１６には吸入ポート３２２が形成されている。リアプレート３１４には吐出ポート３２３が形成されている。リアプレート３１４によって密閉容器３１０の内部が吸入圧力空間と吐出圧力空間とに分かれている。

ポンプ機構部３１２においてポンプ作用が発生すると、液冷媒が吸入管３２１から吸い込まれ密閉容器３１０の内部に入る。密閉容器３１０の内部に入った液冷媒の一部は、吸入ポート３２２を経てポンプ室に入る。液冷媒はポンプ室で昇圧された後、吐出ポート３２３、穴３１７、及び吐出管３２０を通過して密閉容器３１０の外側へ排出される。

特開平３−１７９１８７号公報

特許文献１に記載の冷媒ポンプ３００は信頼性を向上させる余地を有している。そこで、本開示は高い信頼性を有する液体用ポンプを提供する。

本開示は、
高圧側空間と低圧側空間とに区分けされている内部空間を有する圧力容器と、
前記高圧側空間と前記低圧側空間に接するシャフトと、
前記高圧側空間側に配置され、前記シャフトを支持する第一軸受と、
前記第一軸受よりも前記低圧側空間側に配置され、前記シャフトを支持する第二軸受と、
前記第一軸受と前記第二軸受との間に配置され、液体を圧送するポンプ機構と、
前記第一軸受と前記第二軸受との間に配置され、前記シャフトの軸線方向の荷重を支持するスラスト軸受と、
前記シャフトの外周において、前記高圧側空間から、前記第一軸受、前記スラスト軸受、及び前記第二軸受の順番に、前記低圧側空間まで延びる流路と、を備え、
前記流路は、前記高圧側空間から、前記第一軸受、前記スラスト軸受、及び前記第二軸受を順番に経由して、前記低圧側空間に前記液体が流れるように構成されている、
液体用ポンプを提供する。

上記の液体用ポンプは、高い信頼性を有する。

本開示の実施形態に係る液体用ポンプを示す縦断面図 図１のII−II線に沿った液体用ポンプの横断面図 図１に示す液体用ポンプの要部を拡大した断面図 本開示の実施形態に係るランキンサイクル装置の構成図 従来の冷媒ポンプを示す断面図

特許文献１に記載の技術において、駆動軸３１３に軸線方向の推力（スラスト力）が発生することは想定されておらず、冷媒ポンプ３００は、駆動軸３１３の軸線方向の荷重を支持するスラスト軸受を備えていない。回転子３１１ｂの最外周部には磁石３０５が張り付けられている。ブラシレス直流電動機３１１に電力が供給されると、回転子３１１ｂは、駆動軸３１３の軸線方向において回転子３１１ｂの磁気中心（マグネチックセンター）と固定子３１１ａの磁気中心とが一致する特定の位置で回転する。回転子３１１ｂの磁気中心と固定子３１１ａの磁気中心とが一致するように、駆動軸３１３の軸線方向において予め回転子３１１ｂを位置決めしておけば、回転子３１１ｂが回転するときに駆動軸３１３には軸線方向の推力はほとんど発生しない。このような事情もあって、冷媒ポンプ３００は、駆動軸３１８の軸線方向の荷重を支持するスラスト軸受を備えていないと考えられる。

例えば、ランキンサイクル装置において用いられる液体用ポンプでは、液体用ポンプの吐出圧力と吸入圧力との差が大きくなる場合がある。この場合、液体用ポンプに使用されるシャフトには、液体用ポンプの吐出圧力と吸入圧力との差に起因して、シャフトの軸線方向に推力が発生する可能性がある。このような場合に、液体用ポンプとして冷媒ポンプ３００を使用すると、駆動軸３１３の軸線方向に推力が発生することに伴って部品同士の摩擦が発生し、部品が損傷する可能性がある。このように、部品の異常摩耗が発生して、液体用ポンプの信頼性が低下する可能性がある。例えば、インナーロータ３２５が駆動軸３１３に固定されていると、駆動軸３１３に働く推力によってインナーロータ３２５がフロントプレート３１６に押し付けられてインナーロータ３２５が摩耗してしまう。その結果、冷媒ポンプ３００の製品寿命が短くなり、ポンプ効率が低下し、信頼性が低下する可能性がある。

本開示の第１態様は、
圧力容器であって、当該圧力容器の内部空間が高圧側空間と低圧側空間とに区分けされている圧力容器と、
前記圧力容器の前記内部空間に配置されたシャフトであって、当該シャフトの半径方向に延びるスラスト被支持面を有し、当該シャフトの軸線方向の両端の一方が前記高圧側空間に配置され、かつ、前記両端の他方が前記低圧側空間に配置されたシャフトと、
前記両端の前記他方よりも前記高圧側空間側に配置され、前記シャフトを前記シャフトの半径方向に支持する第一軸受と、
前記第一軸受よりも前記低圧側空間側に配置され、前記シャフトを前記シャフトの半径方向に支持する第二軸受と、
前記シャフトの軸線方向において前記第一軸受と前記第二軸受との間に配置され、前記シャフトの回転によって液体を圧送するポンプ機構と、
前記シャフトの軸線方向において前記第一軸受と前記第二軸受との間で前記スラスト被支持面に対向するように配置され、前記シャフトの軸線方向の荷重を支持するスラスト軸受と、を備えた、
液体用ポンプを提供する。

第１態様によれば、スラスト軸受によって、シャフトの軸線方向の荷重を受け止めることができる。このため、高圧側空間における圧力と低圧側空間における圧力との差が大きくなって、シャフトの軸線方向の荷重が大きくなっても、シャフトを安定的に支持することができる。これにより、液体用ポンプが高い信頼性を有する。また、スラスト軸受は、シャフトの軸線方向において第一軸受と第二軸受との間でスラスト被支持面に対向するように配置されているので、シャフトの軸線方向の荷重に対する反力が比較的大きい。このため、スラスト軸受は高い負荷容量を有する。これにより、液体用ポンプの製品寿命を長期化でき、ポンプ効率の低下を抑制できる。その結果、液体用ポンプは高い信頼性を有する。

本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記シャフトの外周において、前記高圧側空間から、前記第一軸受、前記スラスト軸受、及び前記第二軸受の順番に前記第一軸受、前記スラスト軸受、及び前記第二軸受を経由して前記低圧側空間まで延びる液体のための微小流路が形成されている、液体用ポンプを提供する。第２態様によれば、高圧側空間から、微小流路を通ってスラスト軸受に安定的に液体が供給されるので、スラスト軸受における液体の圧力が安定する。これにより、スラスト軸受における発熱及び局部的な圧力変化によるキャビテーションの発生を抑制できる。このため、液体用ポンプが定常運転されているときに加えて、液体用ポンプの過渡的な運転によって高圧側空間又は低圧側空間の圧力が変動するときでも、液体用ポンプの製品寿命を長期化することができ、ポンプ効率の低下を抑制できる。その結果、液体用ポンプが高い信頼性を有する。

本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加えて、前記ポンプ機構は、前記シャフトの回転方向において前記シャフトに対して固定され、かつ、前記シャフトの軸線方向において前記シャフトに対して移動可能であるように前記シャフトに取り付けられている、回転部材を備える、液体用ポンプを提供する。第３態様によれば、高圧側空間又は低圧側空間の圧力の変動又はポンプ回転数の変動によってポンプ機構においてシャフトの軸線方向の圧力変動又は振動が発生しても、シャフトがその影響を受けず、スラスト軸受にかかる荷重の大きさはほとんど変わらない。なぜなら、シャフトは、シャフトの軸線方向においてポンプ機構の回転部材に対して移動可能だからである。これにより、液体用ポンプの製品寿命を長期化させることができ、ポンプ効率の低下を抑制できる。その結果、液体用ポンプが高い信頼性を有する。

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、前記シャフトの前記第二軸受によって支持される部分の直径は、前記シャフトの前記第一軸受によって支持される部分の直径よりも小さく、かつ、前記第二軸受の内径は前記第一軸受の内径よりも小さい、液体用ポンプを提供する。第４態様によれば、シャフトの第二軸受によって支持される部分の直径は、シャフトの第一軸受によって支持される部分の直径よりも小さいので、シャフトのスラスト被支持面が大きい面積を有しやすくなる。これにより、スラスト軸受の負荷容量を大きくすることができるので、高圧側空間における圧力と低圧側空間における圧力との差が大きくなる場合に、液体用ポンプの製品寿命を長期化することができ、ポンプ効率の低下を抑制できる。その結果、液体用ポンプが高い信頼性を有する。

本開示の第５態様は、
第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様の液体用ポンプと、
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、を備え、
前記液体用ポンプは、前記ポンプ機構によって、前記放熱器を通過した液体状態の前記作動流体を前記液体として吸入し、かつ、前記液体を前記加熱器に向かって圧送する、
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、サイクルの高圧と低圧との差を大きくすることが望ましい。この場合、液体用ポンプにおいて、高圧側空間における圧力と低圧側空間における圧力との差が大きくなり、シャフトの軸線方向の荷重が大きくなる。第５態様によれば、このような条件において液体用ポンプが運転されたとしても、スラスト軸受の負荷容量が大きいので、部品の損傷を防止できる。このため、ランキンサイクル装置を高い効率で運転する場合でも、液体用ポンプの製品寿命を長期化することができ、ポンプ効率の低下を抑制できる。その結果、液体用ポンプ、ひいてはランキンサイクル装置が高い信頼性を有する。

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、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜液体用ポンプ＞
図１に示す通り、液体用ポンプ１は、圧力容器１０と、シャフト１３と、第一軸受２９と、第二軸受２７と、ポンプ機構１２と、スラスト軸受３０とを備えている。圧力容器１０の内部空間は、高圧側空間１８と低圧側空間１９とに区分けされている。シャフト１３は、圧力容器１０の内部空間に配置されており、シャフト１３の半径方向に延びるスラスト被支持面１３ｃを有する。シャフト１３の軸線方向の両端の一方が高圧側空間１８に配置され、かつ、シャフト１３の軸線方向の両端の他方が低圧側空間１９に配置されている。シャフト１３は、例えば、重力方向に延びている。第一軸受２９は、低圧側空間１９に配置されているシャフト１３の軸線方向の両端の他方よりも高圧側空間１８側に配置され、シャフト１３をシャフトの半径方向に支持する。第二軸受２７は、第一軸受２９よりも低圧側空間１９側に配置され、シャフト１３をシャフト１３の半径方向に支持する。ポンプ機構１２は、シャフト１３の軸線方向において第一軸受２９と第二軸受２７との間に配置され、シャフト１３の回転によって液体を圧送する。換言すると、第一軸受２９はポンプ機構１２よりも高圧側空間１８側に配置され、第二軸受２７はポンプ機構１２よりも低圧側空間１９側に配置されている。スラスト軸受３０は、シャフト１３の軸線方向において第一軸受２９と第二軸受２７との間でスラスト被支持面１３ｃに対向するように配置され、シャフト１３の軸線方向の荷重を支持する。第一軸受２９、第二軸受２７、及びスラスト軸受３０のそれぞれは、例えば、軸受の軸受面とシャフトの被支持面との間に潤滑剤の膜が形成されるすべり軸受である。

図３に示すように、例えば、シャフト１３の外周において、液体のための微小流路３１が形成されている。微小流路３１は、高圧側空間１８から、第一軸受２９、スラスト軸受３０、及び第二軸受２７の順番に第一軸受２９、スラスト軸受３０、及び第二軸受２７を経由して低圧側空間１９まで延びている。例えば、微小流路３１の少なくとも一部は、シャフト１３の外周と、第一軸受２９、スラスト軸受３０、及び第二軸受２７との微小な隙間によって形成されている。例えば、シャフト１３の外周面と第一軸受２９又は第二軸受２７との間には、円筒状の微小な隙間が形成されている。この場合、この微小な隙間の、シャフト１３の半径方向における最小の大きさは、例えば、５〜１５μｍである。例えば、第一軸受２９とシャフト１３の外周面とによって形成される微小流路３１の一部が高圧側空間１８に接している。また、第二軸受２７とシャフト１３の外周面によって形成されている微小流路３１の一部が低圧側空間１９に接している。

例えば、シャフト１３の第二軸受２７によって支持される部分の直径は、シャフト１３の第一軸受２９によって支持される部分の直径よりも小さく、かつ、第二軸受２７の内径は第一軸受２９の内径よりも小さい。例えば、図１に示すように、シャフト１３は、大径部１３ａ及び小径部１３ｂを有する。大径部１３ａは、比較的大きい直径を有し、大径部１３ａの少なくとも一部が第一軸受２９によって支持されている。小径部１３ｂは、比較的小さい直径を有し、小径部１３ｂの少なくとも一部が第二軸受２７によって支持されている。スラスト被支持面１３ｃは、例えば、シャフト１３の軸線方向において、大径部１３ａと小径部１３ｂとの間に形成されている。

図１に示す通り、液体用ポンプ１は、例えば、電動機１１、端子１７、吸入管２１、及び吐出管２０をさらに備える。液体用ポンプ１は、例えば密閉型のポンプである。圧力容器１０は耐圧性を有する密閉容器であり、圧力容器１０の内部空間は、吸入管２１又は吐出管２０のみによって圧力容器１０の外部に連通している。圧力容器１０の内部において、シャフト１３の軸線方向の一方の端部に電動機１１が配置され、シャフト１３の軸線方向の他方の端部にポンプ機構１２が配置されている。

電動機１１は、固定子１１ａ及び回転子１１ｂを備えている。ポンプ機構１２を作動させるように、電動機１１とポンプ機構１２とがシャフト１３によって連結されている。固定子１１ａは、圧力容器１０の内周面に固定され、回転子１１ｂは、シャフト１３に固定されている。端子１７は、圧力容器１０の上部に取り付けられている。端子１７は電動機１１に電気的に接続されており、端子１７が電源に接続されることによって電動機１１に電力が供給される。電動機１１に電力が供給されると、回転子１１ｂとともにシャフト１３が回転し、ポンプ機構１２が動作する。

吸入管２１及び吐出管２０は、それぞれ、圧力容器１０の壁を貫通するように圧力容器１０に取り付けられている。ポンプ機構１２に吸入されるべき液体は吸入管２１を通って圧力容器１０の内部に供給される。ポンプ機構１２から吐出され圧力容器１０の外部に排出されるべき液体は、吐出管２０を通って圧力容器１０の外部に排出される。

図１に示すように、液体用ポンプ１は、例えば、上軸受部材１４及び下軸受部材１６を備えている。上軸受部材１４及び下軸受部材１６は、それぞれ、板状の部材であり、シャフト１３を回転可能に支持している。上軸受部材１４の中央部分には貫通孔が形成され、シャフト１３が上軸受部材１４の中央部分を貫通している。上軸受部材１４の中央部分に形成された貫通孔を定める面によって第一軸受２９の軸受面が形成されている。下軸受部材１６の中央部分には貫通孔が形成され、シャフト１３が下軸受部材１６の中央部分を貫通している。下軸受部材１６の中央部分に形成された貫通孔を定める面によって第二軸受２７の軸受面が形成されている。下軸受部材１６の中央部分の上面の一部は、シャフト１３のスラスト被支持面１３ｃと対向しており、この部分によってスラスト軸受３０の軸受面が形成されている。下軸受部材１６は吸入孔２２を有し、上軸受部材１４は吐出孔２３を有する。吸入孔２２は、例えば、下軸受部材１６の中央部分の貫通孔よりも半径方向外側で下軸受部材１６を厚さ方向に貫通する貫通孔である。吐出孔２３は、例えば、上軸受部材１４の中央部分の貫通孔よりも半径方向外側で上軸受部材１４を厚さ方向に貫通する貫通孔である。

上軸受部材１４の周縁部は圧力容器１０の内周面に溶接されている。これにより、ポンプ機構１２が圧力容器１０に固定されている。上軸受部材１４によって、圧力容器１０の内部空間が高圧側空間１８と低圧側空間１９とに分かれている。吸入管２１は、シャフト１３の軸線方向において上軸受部材１４よりも吸入孔２２に近い位置で圧力容器１０に取り付けられている。吐出管２０は、上軸受部材１４より上方で圧力容器１０に取り付けられている。なお、下軸受部材１６の周縁部又はポンプケース１５の周縁部が圧力容器１０の内周面に溶接されることによって、ポンプ機構１２が圧力容器１０に固定されていてもよい。この場合には、下軸受部材１６又はポンプケース１５によって、圧力容器１０の内部空間が高圧側空間１８と低圧側空間１９とに分かれる。

図２に示すように、ポンプ機構１２は、回転部材２５を備える。回転部材２５は、シャフト１３の回転方向においてシャフト１３に対して固定され、かつ、シャフト１３の軸線方向においてシャフト１３に対して移動可能であるようにシャフト１３に取り付けられている。ポンプ機構１２は、例えば、内接式のギヤポンプである。ポンプ機構１２は、例えば、ポンプケース１５と、アウターギヤ２４と、インナーギヤ２５とを備えている。この場合、インナーギヤ２５が回転部材２５に相当する。アウターギヤ２４及びインナーギヤ２５は、ポンプケース１５の内側に配置されている。アウターギヤ２４は、インナーギヤ２５の外側でインナーギヤ２５を取り囲むように配置されている。ポンプケース１５、アウターギヤ２４、及びインナーギヤ２５のそれぞれは、上軸受部材１４及び下軸受部材１６に挟まれるように配置されている。インナーギヤ２５は、シャフト１３に取り付けられている。図１及び図２に示すように、例えば、シャフト１３は平坦部１３ｄを有している。平坦部１３ｄは、シャフト１３のインナーギヤ２５が取り付けられる部分において、シャフト１３の軸線に平行で平坦な外周面を形成している。また、インナーギヤ２５の中央部分には、シャフト１３のインナーギヤ１５が取り付けられる部分の形状に適合した形状を有する内周面によって形成された貫通孔を有する。この貫通孔は、シャフト１３のインナーギヤ２５が取り付けられる部分の輪郭よりもわずかに大きい寸法を有するように形成されている。このため、インナーギヤ２５は、シャフト１３の回転方向においてシャフト１３に対して固定され、かつ、シャフト１３の軸線方向においてシャフト１３に対して移動可能であるようにシャフト１３に取り付けられている。その結果、シャフト１３が回転すると、インナーギヤ２５がシャフト１３と共に回転する。

図２に示すように、アウターギヤ２４の歯及びインナーギヤ２５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１５の回転軸心はシャフト１３の回転軸心と一致している。一方、アウターギヤ２４は、アウターギヤ２４の回転軸心がシャフト１３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１３とともにインナーギヤ２５が回転すると、インナーギヤ２５の歯に押されてアウターギヤ２４がインナーギヤ２５とともに回転する。

図１に示すように、インナーギヤ２５の外周面、アウターギヤ２４の内周面、上軸受部材１４の下面、及び下軸受部材１６の上面によって、ポンプ機構１２の作動室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。ここで、吸入室２６ａは、吸入孔２２に連通している状態の作動室２６の部分であり、吐出室２６ｃは吐出孔２３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の容積が拡大し、吸入室２６ａと吸入孔２２との連通が終わ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に連通すると吐出室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。吐出室２６ｃと吐出孔２３ｃとの連通が終わ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に供給され、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。

液体用ポンプ１において、吸入管２１を通って液体が圧力容器１０の内部に吸入される。圧力容器１０に吸入された液体は、低圧側空間１９に一時的に貯留され、吸入孔２２を通過してポンプ機構１２に供給される。ポンプ機構１２に供給された液体は、圧送され、吐出孔２３を通過して圧力容器１０の内部に形成された高圧側空間１８に吐出された後、吐出管２０を通って圧力容器１０の外部に排出される。低圧側空間１９には、ポンプ機構１２によって圧送される前の低圧の液体が貯留されており、高圧側空間１８には、ポンプ機構１２によって圧送された高圧の液体が貯留されている。このため、シャフト１３の高圧側空間１８側の端部には高い圧力が加わり、シャフト１３の低圧側空間１９側の端部には低い圧力が加わる。これにより、シャフト１３には、高圧側空間１８から低圧側空間１９に軸線方向の荷重（スラスト力）が発生する。また、シャフト１３が重力方向に延びている場合、シャフト１３及び回転子１１ｂの自重によっても、高圧側空間１８から低圧側空間１９にシャフト１３の軸線方向の荷重が発生する。スラスト軸受３０は、このような荷重を受け止めることができる。その結果、高圧側空間１８における液体の圧力と低圧側空間１９における液体の圧力との差が大きい場合でも、シャフト１３の軸線方向の荷重によって部品同士の摩擦による損傷を防止できる。また、スラスト軸受３０がシャフト１３の軸線方向の荷重を適切に支持できるので、液体用ポンプ１の製品寿命を長期化することができ、ポンプ効率の低下を抑制できる。このため、液体用ポンプ１が高い信頼性を有する。

微小流路３１の高圧側空間１８側の端部では、高圧側空間１８に貯留された高圧の液体によって比較的高い圧力が加わる。一方、微小流路３１の低圧側空間１９側の端部では、低圧側空間１９に貯留された低圧の液体によって比較的低い圧力が加わる。このため、図３に示すように、高圧側空間１８から微小流路３１を通って低圧側空間１９へ所定量の液体が流れる。図３の微小流路３１における矢印は液体の流れ方向を示している。これにより、スラスト軸受３０には所定の量の液体が常に導かれるので、スラスト軸受３０における圧力が安定する。スラスト軸受３０における圧力が安定することによって、スラスト軸受の発熱及び局部的な液体の圧力変化によるキャビテーションの発生を抑制できる。これにより、液体用ポンプ１が定常運転されるときに加えて、液体用ポンプ１の過渡的な運転によって高圧側空間１８又は低圧側空間１９の圧力が変動するときでも、液体用ポンプ１の製品寿命を長期化することができ、ポンプ効率の低下を抑制できる。このため、液体用ポンプ１が高い信頼性を有する。

微小流路３１を流れる液体によって、第一軸受２９、スラスト軸受３０、及び第二軸受２７を潤滑し冷却することができる。また、微小流路３１における液体の流れによって、第一軸受２９、スラスト軸受３０、又は第二軸受２７の内部に存在する異物を容易に排出できる。その結果、軸受の損傷を防止できる。このため、液体用ポンプの製品寿命を長期化することができ、ポンプ効率の低下を抑制できる。これにより、液体用ポンプ１が高い信頼性を有する。

第一軸受２９及び第二軸受２７は、それぞれ、シャフト１３の軸線方向において互いに異なる位置でシャフト１３を支持する。第一軸受２９は高圧側空間１８の近傍に位置し、第二軸受２７は低圧側空間１９の近傍に位置する。スラスト軸受３０は、シャフト１３の軸線方向において、第一軸受２９と第二軸受２７との間に配置されている。微小流路３１のうち、第一軸受２９とシャフト１３の外周面によって形成された部分は、高圧側空間１８に接している。このため、第一軸受２９の内部の圧力は高圧側空間１８の圧力に近い。第二軸受２７とシャフト１３の外周面によって形成された部分は、低圧側空間１９に接している。このため、第二軸受２７の内部の圧力は低圧側空間１９の圧力に近い。第一軸受２９の内部の空間は、第二軸受２７の内部の空間とシールされることなく連通している。このため、スラスト軸受２７の近傍の圧力は、第一軸受２９の内部の圧力と第二軸受２７の内部の圧力の中間の圧力となっている。これにより、シャフト１３のスラスト被支持面１３ｃには中間圧力が加わるので、高圧側空間１８から低圧側空間１９に加わるシャフト１３の軸線方向の荷重を低減できる。その結果、スラスト軸受３０に加わる荷重が低減される。これにより、液体用ポンプ１の製品寿命を長期化することができ、ポンプ効率の低下を抑制できる。その結果、液体用ポンプ１が高い信頼性を有する。

高圧側空間１８の圧力若しくは低圧側空間１９の圧力が変動する場合、又は、ポンプ回転数が変動する場合、インナーギヤ２５にシャフト１３の軸線方向に圧力変動又は振動が発生する可能性がある。このような場合でも、インナーギヤ２５は、シャフト１３の軸線方向においてシャフト１３に対して移動可能であるので、ポンプ機構１２における影響をほとんど受けない。このため、スラスト軸受３０が受ける荷重がほとんど変動しない。その結果、液体用ポンプ１の製品寿命を長期化することができ、ポンプ効率の低下を抑制できる。これにより、液体用ポンプ１が高い信頼性を有する。

上記の通り、シャフト１３の第二軸受２７によって支持される部分の直径は、シャフト１３の第一軸受２９によって支持される部分の直径よりも小さく、かつ、第二軸受２７の内径は第一軸受２９の内径よりも小さい。これにより、スラスト被支持面１３ｃを大きくできるので、スラスト軸受３０の負荷容量が大きくなる。また、スラスト被支持面１３ｃの面積が大きいことにより、高圧側空間１８の圧力によってシャフト１３に軸線方向に加わる荷重に対する反力が大きくなる。このため、シャフト１３の軸線方向に加わる荷重を低減でき、スラスト軸受３０に加わる荷重を低減させることができる。これにより、特に、高圧側空間１８における液体の圧力と低圧側空間１９における液体の圧力との差が大きい場合でも、液体用ポンプ１の製品寿命を長期化することができ、ポンプ効率の低下を抑制できる。その結果、液体用ポンプ１が高い信頼性を有する。

ポンプ機構１２は、内接式のギヤポンプ以外のギヤポンプ、ベーンポンプ、及びロータリ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であってもよい。

シャフト１３の外周面、上軸受部材１４の中央部分に形成された貫通孔を定める面、又は下軸受部材１６の中央部分に形成された貫通孔を定める面には、シャフト１３の軸線方向に延びる溝が形成されていてもよい。この場合、これらの溝のいずれかによって、微小流路３１の少なくとも一部が形成される。

＜ランキンサイクル装置＞
次に、液体用ポンプ１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に示す通り、ランキンサイクル装置１００は、液体用ポンプ１と、加熱器２と、膨張機３と、放熱器４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を備える。流路６ａ、流路６ｂ、流路６ｃ、及び流路６ｄによって液体用ポンプ１、加熱器２、膨張機３、及び放熱器４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１の出口と加熱器２の入口とを接続している。吐出管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１の入口とを接続している。吸入管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。

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。図４に示す通り、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。

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吸入管２１を通過して圧力容器１０の内部に導かれる。液体用ポンプ１は、ポンプ機構１２によって、放熱器４を通過した液体状態の作動流体を上記の液体として吸入し、かつ、その液体を加熱器２に向かって圧送する。液体用ポンプ１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６ｄを通過して加熱器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、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。この場合、液体用ポンプ１における高圧側空間１８の圧力と低圧側空間１９の圧力との差が大きくなり、スラスト軸受３０に向かうシャフト１３の軸線方向の荷重が大きくなる。液体用ポンプ１を用いれば、このような条件で液体用ポンプ１が運転されたとしても、スラスト軸受３０の負荷容量が大きいので、スラスト軸受３０などの部品の損傷を防ぐことができる。このため、ランキンサイクル装置１００を高い効率で運転する場合でも、液体用ポンプ１の製品寿命を長期化するこができ、ポンプ効率の低下を抑制できる。これにより、液体用ポンプ１が高い信頼性を有する。

１ 液体用ポンプ
１０ 圧力容器
１２ ポンプ機構
１３ シャフト
１３ｃ スラスト被支持面
１８ 高圧側空間
１９ 低圧側空間
２５ 回転部材（インナーギヤ）
２７ 第二軸受
２９ 第一軸受
３０ スラスト軸受
３１ 微小流路
１００ ランキンサイクル装置

Claims (6)

1. 高圧側空間と低圧側空間とに区分けされている内部空間を有する圧力容器と、
   前記高圧側空間と前記低圧側空間に接するシャフトと、
   前記高圧側空間側に配置され、前記シャフトを支持する第一軸受と、
   前記第一軸受よりも前記低圧側空間側に配置され、前記シャフトを支持する第二軸受と、
   前記第一軸受と前記第二軸受との間に配置され、液体を圧送するポンプ機構と、
   前記第一軸受と前記第二軸受との間に配置され、前記シャフトの軸線方向の荷重を支持するスラスト軸受と、
   前記シャフトの外周において、前記高圧側空間から、前記第一軸受、前記スラスト軸受、及び前記第二軸受の順番に、前記低圧側空間まで延びる流路と、を備え、
   前記流路は、前記高圧側空間から、前記第一軸受、前記スラスト軸受、及び前記第二軸受を順番に経由して、前記低圧側空間に前記液体が流れるように構成されている、
   液体用ポンプ。
2. 前記ポンプ機構は、前記シャフトの軸線方向において前記シャフトに対して移動可能であるように前記シャフトに取り付けられている、回転部材を備える、請求項１に記載の液体用ポンプ。
3. 前記シャフトの前記第二軸受によって支持される部分の直径は、前記シャフトの前記第一軸受によって支持される部分の直径よりも小さく、かつ、前記第二軸受の内径は前記第一軸受の内径よりも小さい、請求項１又は２に記載の液体用ポンプ。
4. 前記液体ポンプは縦型ポンプである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体ポンプ。
5. 前記高圧側空間は前記圧力容器の上部に位置し、前記低圧側空間は前記圧力容器の下部に位置する、請求項４に記載の液体ポンプ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体用ポンプと、
   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、を備え、
   前記液体用ポンプは、前記ポンプ機構によって、前記放熱器を通過した液体状態の前記作動流体を前記液体として吸入し、かつ、前記液体を前記加熱器に向かって圧送する、
   ランキンサイクル装置。

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