JP6630534B2 - 液体用ポンプ及びランキンサイクル装置 - Google Patents

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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。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７に示す通り、特許文献１には、キャンド型冷媒ポンプ３００が記載されている。キャンド型冷媒ポンプ３００は、容積型ポンプ機構部としてスクロールポンプ３２０を備えている。スクロールポンプ３２０は、固定スクロール３２１及び旋回スクロール３２２を有する。旋回スクロール３２２の旋回運動によって、冷媒が、吸込管３３３から吸い込まれて搬送され、吐出室３２９に吐出される。吐出された冷媒の一部が潤滑用の冷媒として第１の溝部３４８又は第２の溝部３４９を流れる。これにより、スラスト受部３３０ａ及び軸受部３０９ａの軸受面が潤滑される。その後、冷媒は空間３４３ａに流出する。一方、吐出室３２９に吐出された大部分の冷媒は、貫通孔３３８、背圧室３３７、及びケース連通孔３４４を通って、密閉ケース３０６の内部に形成された空間３４３ａに吐出される。その後、冷媒は通路３４５又は連通溝３５０を通って、もう一方の空間３４３ｂに流入する。空間３４３ｂに流入した冷媒は、吐出管３４７から吐出される。
図８に示す通り、特許文献２には、液冷媒ポンプ５００が記載されている。液冷媒ポンプ５００は、密閉容器５０１、電動機５０２、及び容積型ポンプ機構５０３を備えている。密閉容器５０１の内部には、電動機５０２及び容積型ポンプ機構５０３が収容されている。容積型ポンプ機構５０３は、クランクシャフト５０４と、ローリングピストン５０６と、密閉容器５０１に固定されたシリンダブロック５７０とを備えている。クランクシャフト５０４が電動機５０２よって回転駆動されると、液冷媒が吸入管５２０及び吸入口５２１を経て容積型ポンプ機構５０３の内部に吸入され、容積型ポンプ機構５０３の内部の圧縮室５１４内の液冷媒が吐出口５２３及び吐出管５２２を経て吐出される。液冷媒ポンプ５００では、シリンダブロック５７０内の圧縮室５１４より液冷媒が溝５５１を通ってシリンダブロック５７０の外へ洩れ出す。これにより、この洩れ出た液冷媒が密閉容器５０１内に貯溜されている潤滑用の液冷媒Ｅに加わる。
特許第２９７７２２８号公報 特開２００１−４１１７５号公報
特許文献１のキャンド型冷媒ポンプ３００及び特許文献２の液冷媒ポンプ５００は、信頼性を向上させる余地を有している。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、
容器と、
前記容器の内部に配置されたシャフトと、
前記シャフトを支持するための軸受と、
前記シャフトの回転によって液体を圧送するように前記容器の内部に配置されたポンプ機構と、
前記容器の内部空間のうち前記ポンプ機構の外部において、前記ポンプ機構から吐出された前記容器の外部に排出されるべき前記液体を貯留するように形成されている貯留空間と、
前記貯留空間に面した入口を有し、前記貯留空間に貯留された前記液体の少なくとも一
部を前記軸受に供給するための液体供給路と、を備え、
前記軸受は、前記シャフトの軸心方向において互いに異なる位置で前記シャフトを支持する第一軸受及び第二軸受を含み、
前記液体供給路は、前記貯留空間に貯留された前記液体の少なくとも一部を前記第一軸受に供給するための流路と、前記貯留空間に貯留された前記液体の少なくとも一部を前記第二軸受に供給するための流路と、を含む、
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一部を拡大した縦断面図 本開示の実施形態の一例に係るランキンサイクル装置の構成図 変形例に係る液体用ポンプの縦断面図 別の変形例に係る液体用ポンプの縦断面図 従来のキャンド型冷媒ポンプの断面図 従来の液冷媒ポンプの断面図
ランキンサイクルを有するシステム等に利用される液体用ポンプとして、ギヤポンプ及びロータリポンプ等の容積型のポンプ又は遠心ポンプ等の速度型のポンプを利用することが考えられる。この場合、液体用ポンプの内部において、軸受を潤滑する流体にキャビテーションが発生すると、軸受の損傷による信頼性の低下を招く。また、ポンプ効率の低下にもつながる。
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状態の作動流体の圧力が局所的に飽和蒸気圧に達することによって作動流体が沸騰して微小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。また、この現象が軸受内部で発生すると、軸受内部の面圧の局所的な変化により軸受の許容負荷が低下して部品の摩耗が引き起こされてしまう可能性がある。
特許文献１に記載のキャンド型冷媒ポンプ３００では、吐出室３２９に吐出された冷媒の一部が潤滑用の冷媒として第１の溝部３４８又は第２の溝部３４９を流れる。このように、キャンド型冷媒ポンプ３００では、容積型ポンプ機構部であるスクロールポンプ３２０から密閉ケース３０６の内部の空間３４３ａに冷媒を吐出するためのケース連通孔３４４よりも上流側で容積型ポンプ機構部の内部を流れている冷媒によって軸受の潤滑がなされる。第１の溝部３４８又は第２の溝部３４９は、軸受の潤滑のための流体で満たされた十分に大きな容積を有する空間に接しているとは言い難い。このため、スクロールポンプ３２０の回転数の変動によって、軸受への冷媒の供給量が不足して、部品の摩耗を引き起す可能性がある。また、吐出室３２９に吐出された冷媒は液体であるので、軸受に供給される冷媒の圧力の脈動が大きい。このため、軸受の許容負荷が変動し、部品の摩耗が発生する可能性があるとともに摺動損失が増加してポンプ効率の低下を招く可能性がある。
特許文献２に記載の液冷媒ポンプ５００では、溝５５１を通ってシリンダブロック５７０の外へ洩れ出した液冷媒が潤滑用の液冷媒Ｅに加わるものの、容積型ポンプ機構５０３の内部の液冷媒の大部分が吐出口５２３及び吐出管５２２を経て吐出される。このため、容積型ポンプ機構５０３の内部の液冷媒の全てが必ずしも潤滑用の液冷媒Ｅとして貯留されるわけではない。溝５５１を経てシリンダブロック５７０の外に液冷媒を洩れ出させるだけでは、クランクシャフト５０４の回転数の変動によって、クランクシャフト５０４の軸受への潤滑用の液冷媒の供給量が不足して、部品の摩耗を引き起こしてしまう可能性がある。
本開示の第１態様は、
容器と、
前記容器の内部に配置されたシャフトと、
前記シャフトを支持するための軸受と、
前記シャフトの回転によって液体を圧送するように前記容器の内部に配置されたポンプ機構と、
前記容器の内部空間のうち前記ポンプ機構の外部において、前記ポンプ機構に吸入されるべき前記液体又は前記ポンプ機構から吐出された前記容器の外部に排出されるべき前記液体を貯留するように形成されている貯留空間と、
前記貯留空間に面した入口を有し、前記貯留空間に貯留された前記液体の少なくとも一部を前記軸受に供給するための液体供給路と、を備えた、
液体用ポンプを提供する。
第１態様によれば、貯留空間は、ポンプ機構に吸入されるべき液体又はポンプ機構から吐出された容器の外部に排出されるべき液体を貯留するように形成され、液体供給路の入口が貯留空間に面している。このため、貯留空間に供給される液体の量が多い。また、貯留空間が所定の容積を有するので、液体の圧力脈動が緩和されて軸受に供給される液体にキャビテーションが発生することを抑制できる。これにより、軸受の許容負荷の変動が少なく、軸受の損傷が防止される。その結果、第１態様の液体用ポンプは高い信頼性を有する。また、容器の内部に、軸受の潤滑に特化した液体の貯留空間を形成する必要がないので、液体用ポンプを簡素に構成できる。このため、液体用ポンプの製造コストを低減できる。
本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記貯留空間は、前記ポンプ機構に吸入されるべき前記液体を貯留するための吸入貯留空間及び前記ポンプ機構から吐出された前記容器の外部に排出されるべき前記液体を貯留するための吐出貯留空間を含む、液体用ポンプを提供する。第２態様によれば、容器の内部において貯留空間の容積が大きくなるので、軸受に供給される液体にキャビテーションが発生することを有利に抑制できる。また、ポンプ機構に吸入されるべき液体とポンプ機構から吐出された容器の外部に排出されるべき液体との双方において圧力脈動を低減できる。これにより、軸受の信頼性、ひいては液体用ポンプの信頼性が高まる。
本開示の第３態様は、第２態様に加えて、前記軸受は、前記シャフトの軸心方向において互いに異なる位置で前記シャフトを支持する第一軸受及び第二軸受を含み、前記液体供給路は、前記吸入貯留空間に貯留された前記液体の少なくとも一部を前記第一軸受に供給するための吸入液体供給路と、前記吐出貯留空間に貯留された前記液体の少なくとも一部を前記第二軸受に供給するための吐出液体供給路とを含む、液体用ポンプを提供する。第３態様によれば、吸入液体供給路及び吐出液体供給路によって、適切な貯留空間から第一軸受及び第二軸受に対して液体を供給できる。また、液体供給路の構成が簡素であるので、液体用ポンプの製造コストを低減できる。
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、前記液体供給路は、前記シャフトの内部に形成されている、液体用ポンプを提供する。第４態様によれば、液体供給路を軸受に近い位置に形成できるので、液体供給路の長さを短くできる。このため、液体供給路を流れる液体の圧力損失を低減できる。その結果、軸受に供給される液体にキャビテーションが発生することが抑制される。
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、前記液体供給路を経て前記軸受に供給されるべき前記液体の圧力を上昇させるための昇圧機構をさらに備えた、液体用ポンプを提供する。第５態様によれば、軸受に供給される液体が、高い圧力を有し、キャビテーションが発生する圧力よりも十分に高い圧力を有するので、軸受に供給された液体にキャビテーションが発生することがさらに抑制される。
本開示の第６態様は、第５態様に加えて、前記昇圧機構は、前記シャフトの内部において前記シャフトの半径方向に延びるように形成されている流路を含む、液体用ポンプを提供する。第６態様によれば、シャフトの回転による遠心力によって、シャフトの半径方向に延びるように形成されている流路を流れている液体の圧力を高めることができる。これにより、軸受に供給された液体にキャビテーションが発生することが抑制される。また、昇圧機構を簡素に構成できる。
本開示の第７態様は、第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様に加えて、前記シャフトの少なくとも１つの端部が前記貯留空間に面している、液体用ポンプを提供する。第７態様によれば、軸受を潤滑した後の液体が貯留空間に戻るまでに通過する経路が短くなる。なぜなら、シャフトの端部の近傍には軸受が配置されることが多いからである。これにより、軸受を潤滑した後の液体を軸受から容易に排出できる。このため、軸受に供給された液体に異物が混じっていても、このような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。
本開示の第８態様は、第１態様〜第７態様のいずれか１つの態様に加えて、前記貯留空間に配置され、前記シャフトに固定されたモータをさらに備える、液体用ポンプを提供する。第８態様によれば、モータとシャフトとの連結による損失を抑制できるので、ポンプ効率を向上させることができる。また、モータとシャフトとの連結により生じる隙間又はモータの回転軸心とシャフトの軸心とのずれによりシャフトが偏心して回転することを抑制できるので、軸受の信頼性、ひいては液体用ポンプの信頼性が高い。
本開示の第９態様は、
第１態様〜第８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。
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が、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９態様によれば、このような作動流体が液体用ポンプに供給されたとしても、軸受に供給された液体がキャビテーションを起こしにくい。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に示す通り、液体用ポンプ１ａは、容器１０と、シャフト３０と、軸受４０と、ポンプ機構２０と、貯留空間５０と、液体供給路６０とを備えている。容器１０は、例えば、耐圧性を有する密閉容器である。シャフト３０は、容器１０の内部に配置されている。シャフト３０は、例えば、液体用ポンプ１ａが水平面に載置されているときに鉛直方向に延びている。液体用ポンプ１ａは、液体用ポンプ１ａが水平面に載置されているときにシャフト３０が水平方向に延びるように構成されていてもよい。軸受４０は、シャフト３０を支持するための軸受である。軸受４０は、すべり軸受である。ポンプ機構２０は、シャフト３０の回転によって液体を圧送するように容器１０の内部に配置されている。貯留空間５０は、容器１０の内部空間のうちポンプ機構２０の外部において、ポンプ機構２０に吸入されるべき液体又はポンプ機構２０から吐出された容器１０の外部に排出されるべき液体を貯留するように形成されている。液体供給路６０は、貯留空間５０に面した入口を有し、貯留空間５０に貯留された液体の少なくとも一部を軸受４０に供給するための流路である。
貯留空間５０は、液体用ポンプ１ａを通過する液体のすべてが貯留空間５０において所定の期間貯留されるように形成されている。このため、液体用ポンプ１ａが作動しているときに、貯留空間５０には十分な量の液体が継続的に供給される。
貯留空間５０の容積は、ポンプ機構２０の内部空間の容積よりも大きい限り、特に制限されないが、例えば、ポンプ機構２０の内部空間の容積の４０倍以上であり、望ましくは１００倍以上である。例えば、液体用ポンプ１ａが作動しているときに、液体がポンプ機構２０を通過するのに要する平均時間をｔｐ、液体が貯留空間５０を通過するのに要する平均時間をｔｓと定義する。この場合に、ｔｓ＞５ｔｐが満たされるように貯留空間５０が形成されていることが望ましい。このように、貯留空間５０が所定の容積を有していることにより、貯留空間５０を液体が出入りすることによって発生する圧力脈動が緩和されやすい。また、液体供給路６０の入口は、貯留空間５０に面しているので、軸受４０には、圧力変動が抑制された液体が供給される。これにより、軸受４０において、液体の圧力変動が抑制され、キャビテーションの発生が抑制される。
ポンプ機構２０は、吸入孔２１ａ及び吐出孔２２ａを有する。吸入孔２１ａは、ポンプ機構２０の内部に液体を供給するための孔であり、ポンプ機構２０の外部に向かって開口している。吐出孔２２ａは、ポンプ機構２０の外部に液体を吐出するための孔であり、ポンプ機構２０の外部に向かって開口している。液体用ポンプ１ａは、例えば、供給管１１及び排出管１３をさらに備える。供給管１１及び排出管１３は、それぞれ、容器１０の壁を貫通するように容器１０に取り付けられている。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１１及び排出管１３のみによって容器１０の外部空間に連通している。ポンプ機構２０に吸入されるべき液体は、供給管１１を通って、容器１０の内部に供給される。ポンプ機構２０から吐出され容器１０の外部に排出されるべき液体は、排出管１３を通って、容器１０の外部に排出される。
図１に示す通り、例えば、貯留空間５０は、吸入貯留空間５１及び吐出貯留空間５３を含む。吸入貯留空間５１は、ポンプ機構２０に吸入されるべき液体を貯留するための空間である。ポンプ機構２０の吸入孔２１ａの端が吸入貯留空間５１に面しており、かつ、供給管１１の端が吸入貯留空間５１に面している。吐出貯留空間５３は、ポンプ機構２０から吐出された容器１０の外部に排出されるべき液体を貯留するための空間である。ポンプ機構２０の吐出孔２２ａの端が吐出貯留空間５３に面しており、かつ、排出管１３の端が吐出貯留空間５３に面している。したがって、吐出貯留空間５３の液体の圧力は、吸入貯留空間５１の液体の圧力よりも高い。
吸入貯留空間５１及び吐出貯留空間５３の容積は、それぞれ、ポンプ機構２０の内部空間の容積よりも大きい限り、特に制限されないが、例えば、ポンプ機構２０の内部空間の容積の２０倍以上であり、望ましくは５０倍以上である。例えば、液体用ポンプ１ａが作動しているときに、液体がポンプ機構２０を通過するのに要する平均時間をｔｐ、液体が吸入貯留空間５１又は吐出貯留空間５３を通過するのに要する平均時間を、それぞれ、ｔｓ１又はｔｓ２と定義する。この場合に、ｔｓ１＞２ｔｐ、かつ、ｔｓ２＞２ｔｐが満たされるように吸入貯留空間５１及び吐出貯留空間５３が形成されていることが望ましい。このように、吸入貯留空間５１及び吐出貯留空間５３がそれぞれ所定の容積を有していることにより、吸入貯留空間５１又は吐出貯留空間５３を液体が出入りすることによって発生する圧力脈動が緩和されやすい。また、ポンプ機構２０の内部空間の大部分を貯留空間５０として利用できる。
図１に示す通り、軸受４０は、例えば、第一軸受４１及び第二軸受４３を含む。第一軸受４１及び第二軸受４３は、それぞれ、シャフト３０の軸心方向において互いに異なる位置でシャフト３０を支持する。例えば、第一軸受４１は、吸入貯留空間５１の近傍に位置し、第二軸受４３は、吐出貯留空間５３の近傍に位置する。この場合、液体供給路６０は、吸入液体供給路６１と、吐出液体供給路６３とを含む。吸入液体供給路６１は、吸入貯留空間５１に貯留された液体の少なくとも一部を第一軸受４１に供給するための流路であり、吸入液体供給路６１の入口が吸入貯留空間５１に面している。吐出液体供給路６３は、吐出貯留空間５３に貯留された液体の少なくとも一部を第二軸受４３に供給するための流路であり、吐出液体供給路６３の入口が吐出貯留空間５３に面している。これにより、適切な貯留空間から第一軸受４１及び第二軸受４３に対して液体を供給できる。また、液体供給路６０の構成が簡素である。
ポンプ機構２０は、例えば、内接式のギヤポンプである。ポンプ機構２０は、内接式のギヤポンプ以外のギヤポンプ、ピストンポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプ、若しくはスクロールポンプ等の容積型ポンプ、遠心ポンプ、斜流ポンプ、若しくは軸流ポンプ等の速度型ポンプ、又はスクリューポンプであってもよい。図１に示す通り、ポンプ機構２０は、例えば、下軸受部材２１と、上軸受部材２２と、ポンプケース２３と、アウターギヤ２４と、インナーギヤ２５とを備えている。下軸受部材２１及び上軸受部材２２は、それぞれ板状の部材である。下軸受部材２１及び上軸受部材２２は、それぞれ、シャフト３０を回転可能に支持している。例えば、下軸受部材２１のシャフト３０と対向する部分が第一軸受４１として機能し、上軸受部材２２のシャフト３０と対向する部分が第二軸受４３として機能する。シャフト３０は、下軸受部材２１の中央において下軸受部材２１を貫通し、かつ、上軸受部材２２の中央において上軸受部材２２を貫通している。例えば、吸入孔２１ａは下軸受部材２１を厚み方向に貫通する貫通孔として形成され、吐出孔２２ａは上軸受部材２２を厚み方向に貫通する貫通孔として形成されている。
ポンプケース２３、アウターギヤ２４、及びインナーギヤ２５は、それぞれ、下軸受部材２１及び上軸受部材２２に挟まれるように配置されている。図２に示す通り、ポンプケース２３の内部に、アウターギヤ２４及びインナーギヤ２５が配置されている。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。アウターギヤ２４の歯とインナーギヤ２５の歯とが噛み合っている。インナーギヤ２５は、シャフト３０に嵌っている。このため、シャフト３０が回転すると、インナーギヤ２５も一緒に回転する。インナーギヤ２５の回転軸心は、シャフト３０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３０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３０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。
ポンプ機構２０において、下軸受部材２１、上軸受部材２２、アウターギヤ２４、及びインナーギヤ２５によって、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３０の回転に伴って回転することによってポンプ機構２０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２１ａ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２２ａ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３０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２１ａとの連通が終わると吸入工程が終了する。シャフト３０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２２ａに連通すると吐出室２６ｃに移行する。シャフト３０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２２ａ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３０の回転によって、液体が吸入孔２１ａを通ってポンプ機構２０に吸入され、かつ、吐出孔２２ａを通ってポンプ機構２０から液体が吐出される。
ポンプ機構２０は、例えば、上軸受部材２２の周縁部が容器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。これにより、上軸受部材２２によって、容器１０の内部空間が、吸入貯留空間５１と吐出貯留空間５３とに分かれている。このため、供給管１１は、上軸受部材２２より吸入孔２１ａに近い位置で容器１０に取り付けられ、排出管１３は、上軸受部材２２より上方で容器１０に取り付けられている。なお、下軸受部材２１の周縁部又はポンプケース２３の周縁部が容器１０の内周面に溶接されることによってポンプ機構２０が容器１０に固定されていてもよい。この場合、容器１０の内部空間が、下軸受部材２１又はポンプケース２３によって、吸入貯留空間５１と吐出貯留空間５３とに分かれる。容器１０の内周面は、空間を形成するための部分として、貯留空間５０を形成するための部分のみを有する。例えば、容器１０の内周面は、空間を形成するための部分として、吸入貯留空間５１及び吐出貯留空間５３を形成するための部分のみを有する。
図１に示すように、液体供給路６０は、例えば、シャフト３０の内部に形成されている。例えば、吸入液体供給路６１は、主流路６１ａ及び副流路６１ｂを有する。主流路６１ａは、シャフト３０の内部において、吸入貯留空間５１に面しているシャフト３０の端部からシャフト３０の軸方向に延びている。副流路６１ｂは、主流路６１ａからシャフト３０の半径方向に延びてシャフト３０と第一軸受４１との間の空間に連通している。例えば、吐出液体供給路６３は、主流路６３ａ及び副流路６３ｂを有する。主流路６３ａは、シャフト３０の内部において、吐出貯留空間５３に面しているシャフト３０の端部からシャフト３０の軸方向に延びている。副流路６３ｂは、主流路６３ａからシャフト３０の半径方向に延びてシャフト３０と第二軸受４３との間の空間に連通している。これにより、吸入貯留空間５１に貯留された液体がシャフト３０の内部を通って第一軸受４１に供給され、吐出貯留空間５３に貯留された液体がシャフト３０の内部を通って第二軸受４３に供給される。これにより、第一軸受４１及び第二軸受４３が液体によって潤滑される。
このように、液体供給路６０がシャフト３０の内部に形成されていると、液体供給路６０を軸受４０に近い位置に形成できるので、液体供給路６０の長さを短くできる。これにより、液体供給路６０を流れる液体の圧力損失を低減できる。その結果、軸受４０に供給される液体にキャビテーションが発生することが抑制される。この効果は、軸受４０がシャフト３０の端部近傍を支持する場合に特に発揮されやすい。また、液体供給路６０を流れる液体によってシャフト３０を効率的に冷却できる。なお、液体供給路６０は、貯留空間５０に貯留されている液体を軸受４０に供給するための流路である限り、特に制限されない。例えば、液体供給路６０は、シャフト３０の外周面に形成されたらせん溝であってもよいし、軸受４０の軸受面に形成された溝であってもよい。
液体用ポンプ１ａは、例えば、昇圧機構７０をさらに備える。昇圧機構７０は、液体供給路６０を経て軸受４０に供給されるべき液体の圧力を上昇させるための機構である。昇圧機構７０は、例えば、シャフト３０の内部においてシャフト３０の半径方向に延びるように形成されている流路を含む。図１に示す通り、例えば、昇圧機構７０は、吸入液体供給路６１における副流路６１ｂ又は吐出液体供給路６３における副流路６３ｂによって構成されている。例えば、図３に示す通り、液体が軸受４０に供給される。シャフト３０の回転により遠心力が発生する。この遠心力が、副流路６１ｂ又は副流路６３ｂを流れている液体に作用し、液体の圧力が高められた状態で、第一軸受４１又は第二軸受４３に液体が供給される。このため、第一軸受４１又は第二軸受４３に供給される液体が、高い圧力を有し、キャビテーションが発生する圧力よりも十分に高い圧力を有する。これにより、第一軸受４１又は第二軸受４３の内部において液体の圧力が変動しても、第一軸受４１又は第二軸受４３に供給された液体にキャビテーションが発生することを抑制できる。その結果、軸受４０の損傷を防止できる。図３に示すように、第一軸受４１に供給された液体は、第一軸受４１とシャフト３０との間の隙間を通って吸入貯留空間５１に排出され、第二軸受４３に供給された液体は、第二軸受４３とシャフト３０との間の隙間を通って吐出貯留空間５３に排出される。
昇圧機構７０は、液体供給路６０を経て軸受４０に供給されるべき液体の圧力を上昇させるための機構である限り、特に制限されない。昇圧機構７０は、例えば、シャフト３０の端部近傍に設けられたギヤポンプであってもよい。
図１に示す通り、例えば、シャフト３０の少なくとも１つの端部が貯留空間５０に面している。例えば、シャフト３０の一方の端部が吸入貯留空間５１に面している。シャフト３０の端部の近傍には、第一軸受４１が配置されている。この場合、第一軸受４１を潤滑した後の液体が吸入貯留空間５１に戻るまでに通過する経路が短い。このため、第一軸受４１を潤滑した後の液体を第一軸受４１から容易に排出できる。第一軸受４１に供給された液体に異物が混じっていても、このような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。
図１に示す通り、液体用ポンプ１ａは、モータ８０を備えている。モータ８０は、ポンプ機構２０を作動させるようにシャフト３０によってポンプ機構２０に連結されている。例えば、モータ８０は、貯留空間５０に配置されており、シャフト３０に固定されている。具体的に、モータ８０はロータ８１及びステータ８３を備え、シャフト３０とロータ８１とが接触した状態でシャフト３０がモータ８０に固定されている。すなわち、シャフト３０は、連結部材を介することなく、モータ８０に直接固定されている。このため、モータ８０の回転軸心とシャフト３０の軸心とのずれがほとんどない。これにより、シャフト３０と、第一軸受４１又は第二軸受４３との摺動損失が低減され、シャフト３０、第一軸受４１、及び第二軸受４３の摩耗が低減される。その結果、液体用ポンプ１ａが高い信頼性を有する。ステータ８３は、容器１０の内周面に固定されている。また。モータ８０は、吐出貯留空間５３に配置されている。液体用ポンプ１ａは、モータ８０に電力を供給するための端子１５をさらに備える。端子１５は、容器１０の上部に取り付けられている。モータ８０に電力が供給されると、ロータ８１とともにシャフト３０が回転し、上記のようにポンプ機構２０が動作する。
＜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に示す通り、ランキンサイクル装置１００は、液体用ポンプ１ａ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を有し、流路６ａ、流路６ｂ、流路６ｃ、及び流路６ｄによって液体用ポンプ１ａ、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１ａの出口と加熱器２の入口とを接続している。排出管１３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１１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１１を経由して容器１０の内部に導かれる。液体用ポンプ１ａは、ポンプ機構２０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から流出し液体用ポンプ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、液体用ポンプ１ａの軸受４０においては、軸受４０の内部における液体のわずかな減圧、又は、受熱により、キャビテーションが発生する可能性がある。しかし、液体用ポンプ１ａが上記のように構成されているので、第一軸受４１又は第二軸受４３におけるキャビテーションの発生が抑制され、第一軸受４１又は第二軸受４３の損傷が抑制される。
また、吐出貯留空間５３において、作動流体がモータ８０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。これにより、ランキンサイクル装置１００が高い効率を有する。
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、例えば、吸入貯留空間５１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。
＜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、例えば、図５に示す液体用ポンプ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、後述する液体用ポンプ１ｃにもあてはまる。
図５に示す通り、液体用ポンプ１ｂにおいて、供給管１１に代えて供給管１１ａが用いられている。供給管１１ａは、容器１０の壁に取り付けられている。供給管１１ａの一端は、ポンプ機構２０に直接接続されている。すなわち、供給管１１ａの内部空間が吸入孔２１ａの内部に直接つながっている。このため、供給管１１ａを通過した液体は、所定の容積の空間に貯留されることなく、ポンプ機構２０に吸入される。
上軸受部材２２は、ポンプケース２３よりも外周側に形成された連通孔２２ｂを有する。連通孔２２ｂは、上軸受部材２２を貫通して延びている。これにより、上軸受部材２２の上方の空間と上軸受部材２２の下方の空間とが連通孔２２ｂによってつながって、吐出貯留空間５３が形成されている。この場合、例えば、容器１０の内周面は、空間を形成するための部分として、吐出貯留空間５３を形成するための部分のみを有する。ポンプ機構２０から吐出された容器１０の外部に排出されるべき液体は、吐出貯留空間５３の上軸受部材２２の上方に位置する部分のみならず、吐出貯留空間５３の上軸受部材２２の下方に位置する部分にも貯留される。このように、吐出貯留空間５３が所定の容積を有していることにより、吐出貯留空間５３を液体が出入りすることによって発生する圧力脈動が緩和されやすい。また、液体供給路６０の入口は、吐出貯留空間５３に面しているので、軸受４０には、圧力変動が抑制された液体が供給される。これにより、軸受４０において、液体の圧力変動が抑制され、キャビテーションの発生が抑制される。
液体用ポンプ１ｂにおいて、液体供給路６０は、２つの吐出液体供給路６３を含む。２つの吐出液体供給路６３の一方は、吐出貯留空間５３の上軸受部材２２の下方に位置する部分に貯留された液体を第一軸受４１に供給するための流路である。また、２つの吐出液体供給路６３の他方は、吐出貯留空間５３の上軸受部材２２の上方に位置する部分に貯留された液体を第二軸受４３に供給するための流路である。
液体用ポンプ１ａは、例えば、図６に示す液体用ポンプ１ｃのように変更されてもよい。図６に示す通り、液体用ポンプ１ｃにおいて、排出管１３に代えて排出管１３ａが用いられている。排出管１３ａは、容器１０の壁に取り付けられている。排出管１３ａの一端は、ポンプ機構２０に直接接続されている。すなわち、排出管１３ａの内部空間が吐出孔２２ａの内部に直接つながっている。このため、吐出孔２２ａから吐出された液体は、所定の容積の空間に貯留されることなく、排出管１３ａを通過して液体用ポンプ１ｃの外部に排出される。
上軸受部材２２は、ポンプケース２３よりも外周側に形成された連通孔２２ｂを有する。連通孔２２ｂは、上軸受部材２２を貫通して延びている。これにより、上軸受部材２２の上方の空間と上軸受部材２２の下方の空間とが連通孔２２ｂによってつながって、吸入貯留空間５１が形成されている。この場合、例えば、容器１０の内周面は、空間を形成するための部分として、吸入貯留空間５１を形成するための部分のみを有する。ポンプ機構２０に吸入されるべき液体は、吸入貯留空間５１の上軸受部材２２の下方に位置する部分のみならず、吸入貯留空間５１の上軸受部材２２の上方に位置する部分にも貯留される。このように、吸入貯留空間５１が所定の容積を有していることにより、吸入貯留空間５１を液体が出入りすることによって発生する圧力脈動が緩和されやすい。また、液体供給路６０の入口は、吸入貯留空間５１に面しているので、軸受４０には、圧力変動が抑制された液体が供給される。これにより、軸受４０において、液体の圧力変動が抑制され、キャビテーションの発生が抑制される。
液体用ポンプ１ｃにおいて、液体供給路６０は、２つの吸入液体供給路６１を含む。２つの吸入液体供給路６１の一方は、吸入貯留空間５１の上軸受部材２２の下方に位置する部分に貯留された液体を第一軸受４１に供給するための流路である。また、２つの吸入液体供給路６１の他方は、吸入貯留空間５１の上軸受部材２２の上方に位置する部分に貯留された液体を第二軸受４３に供給するための流路である。
１ａ〜１ｃ 液体用ポンプ
２ 加熱器
３ 膨張機
４ 放熱器
１０ 容器
２０ ポンプ機構
３０ シャフト
４０ 軸受
４１ 第一軸受
４３ 第二軸受
５０ 貯留空間
５１ 吸入貯留空間
５３ 吐出貯留空間
６０ 液体供給路
６１ 吸入液体供給路
６３ 吐出液体供給路
７０ 昇圧機構
８０ モータ
１００ ランキンサイクル装置

Claims (8)

  1. 容器と、
    前記容器の内部に配置されたシャフトと、
    前記シャフトを支持するための軸受と、
    前記シャフトの回転によって液体を圧送するように前記容器の内部に配置されたポンプ機構と、
    前記容器の内部空間のうち前記ポンプ機構の外部において、前記ポンプ機構から吐出された前記容器の外部に排出されるべき前記液体を貯留するように形成されている貯留空間と、
    前記貯留空間に面した入口を有し、前記貯留空間に貯留された前記液体の少なくとも一部を前記軸受に供給するための液体供給路と、を備え、
    前記軸受は、前記シャフトの軸心方向において互いに異なる位置で前記シャフトを支持する第一軸受及び第二軸受を含み、
    前記液体供給路は、前記貯留空間に貯留された前記液体の少なくとも一部を前記第一軸受に供給するための流路と、前記貯留空間に貯留された前記液体の少なくとも一部を前記第二軸受に供給するための流路と、を含む、
    液体用ポンプ。
  2. 前記容器の内部に前記液体を導くための供給管と、をさらに備え、
    前記供給管の一端が前記ポンプ機構に接続されている、請求項１に記載の液体ポンプ。
  3. 前記液体供給路は、前記シャフトの内部に形成されている、請求項１又は２に記載の液体用ポンプ。
  4. 前記液体供給路を経て前記軸受に供給されるべき前記液体の圧力を上昇させるための昇圧機構をさらに備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体用ポンプ。
  5. 前記昇圧機構は、前記シャフトの内部において前記シャフトの半径方向に延びるように形成されている流路を含む、請求項４に記載の液体用ポンプ。
  6. 前記シャフトの少なくとも１つの端部が前記貯留空間に面している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体用ポンプ。
  7. 前記貯留空間に配置され、前記シャフトに固定されたモータをさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の液体用ポンプ。
  8. 請求項１〜７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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