JP2014095332A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 背圧室とポンプ作動室における流体の圧力の大小関係が逆転しても、作動流体が軸シールを介して一方の領域から他方の領域に漏出することを抑制できる技術を提供する。
【解決手段】 本明細書が開示する流体機械１０は、ハウジング１２と、ギヤポンプ２０と、ギヤポンプ２０を駆動する駆動軸２２と、膨張機４０を備える。ハウジング１２には、駆動軸２２に沿って、ポンプ作動室３０と、背圧室４８と、駆動軸挿通孔６１が形成されている。駆動軸挿通孔６１には、駆動軸２２の外周面と駆動軸挿通孔６１の内面とをシールするポンプ側軸シール６０と膨張機側軸シール６２が設けられている。駆動軸挿通孔６１には、ポンプ側軸シール６０、膨張機側軸シール６２、及び駆動軸２２によって区画される中間室６４が形成されている。流体機械１０は、中間室６４とランキンサイクルの低圧流体領域とを連通する連通路３５をさらに備えている。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、流体機械に関する。

特許文献１に、ランキンサイクルに用いられる流体機械が開示されている。この流体機械はギヤポンプと膨張機を備える。膨張機は、背圧室を備えるスクロール式の膨張機である。膨張機は機械的エネルギーを出力し、その機械的エネルギーはギヤポンプの駆動軸に伝達され、ギヤポンプが駆動される。ギヤポンプの駆動軸には軸シールが設けられており、軸シールによって、ギヤポンプを収容するポンプ作動室側の領域と、膨張機の背圧室側の領域とが区画されている。軸シールは、ランキンサイクルを流れる作動流体がポンプ作動室から背圧室へ（あるいは背圧室からポンプ作動室へ）漏出することを規制する。

特開２０１１−１９６３１５号公報

一般に、背圧室の流体の圧力は制御可能であるため、ギヤポンプの作動中において、背圧室の流体の圧力とポンプ作動室の流体の圧力（詳細には、ギヤポンプの吸入側の圧力と吐出側の圧力との中間の圧力）との大小関係は一定となる。しかしながら、例えば運転状況が変わり作動流体の流量や圧力が変動することにより、背圧室の流体の圧力を高く制御する場合が生じる。かかる場合は、背圧室とポンプ作動室における流体の圧力の大小関係が逆転することがある。一般的に、軸シールのシール能力は、一方の方向におけるシール能力と他方の方向におけるシール能力とが著しく異なる。このため、軸シールを挟む２つの領域の高圧側から低圧側の方向に対して高いシール能力を発揮できるように軸シールが配置される。したがって、上記したように背圧室とポンプ作動室における流体の圧力の大小関係が逆転すると、軸シールのシール能力が低下し、多量の作動流体が軸シールを介して一方の領域から他方の領域に漏出し、流体機械に不具合が生じる虞がある。例えば、背圧室からポンプ作動室に作動流体が漏出すると、ギヤポンプにキャビテーションが発生しポンプ効率が低下する。反対に、ポンプ作動室から背圧室に作動流体が漏出すると、背圧が過大になり、膨張機が損傷する可能性がある。

本明細書では、背圧室とポンプ作動室における流体の圧力の大小関係が逆転しても、作動流体が軸シールを介して一方の領域から他方の領域に漏出することを抑制できる技術を提供する。

本明細書が開示する流体機械は、ランキンサイクルに用いられる。この流体機械は、ハウジングと、ハウジング内に設けられているポンプ部と、ポンプ部を駆動する駆動軸と、膨張機を備える。膨張機は、ハウジング内に設けられ、駆動軸に動力を伝達可能な旋回スクロールと、ハウジングに固定された固定スクロールを有する。ハウジングには、駆動軸に沿って、ポンプ作動室と、背圧室と、駆動軸挿通孔が形成されている。ポンプ作動室は、ポンプ部を収容する。背圧室は、旋回スクロールを固定スクロールに押圧する。駆動軸挿通孔は、ポンプ作動室と背圧室との間に位置し、駆動軸が挿通する。駆動軸挿通孔には、第１のシール部材と、第２のシール部材が設けられている。第１のシール部材は、駆動軸の外周面と駆動軸挿通孔の内面とをシールする。第２のシール部材は、第１のシール部材と駆動軸の軸方向に間隔を空けて配置され、駆動軸の外周面と駆動軸挿通孔の内面とをシールする。駆動軸挿通孔には、第１のシール部材、第２のシール部材、及び駆動軸によって区画される中間室が形成されている。流体機械は、中間室とランキンサイクルの低圧流体領域とを連通する連通路をさらに備えている。

この流体機械の駆動軸挿通孔には、第１のシール部材及び第２のシール部材が、駆動軸の軸方向に間隔を空けて配置されており、これらのシール部材によって中間室が形成されている。仮に第２のシール部材が第１のシール部材に対して背圧室側に配置されているとすると、上記の構成は、次のように言い換えることができる。即ち、第１のシール部材によってポンプ作動室側の領域と中間室とが区画され、第２のシール部材によって中間室と膨張機の背圧室側の領域とが区画されている。ここで、ポンプ作動室側の領域とは、厳密にはギヤポンプの吸入側の流体の圧力（低圧）と、吐出側の流体の圧力（高圧）との中間の圧力を有する流体が存在する領域を指す。また、一般に、背圧室の流体の圧力は、膨張機の吸入側の流体の圧力（高圧）と、吐出側の流体の圧力（低圧）との中間の圧力になるように制御されている。

この流体機械では、中間室とランキンサイクルの低圧流体領域とを連通する連通路が形成されている。ランキンサイクルの低圧流体領域とは、言い換えれば、ランキンサイクルにおいて流体の圧力が最も低くなる領域である。このため、ギヤポンプの作動中、中間室の流体の圧力はランキンサイクルにおける最低圧力に保たれる。従って、第１のシール部材を挟む２つの領域（即ち、ポンプ作動室側の領域及び中間室）の流体の圧力は、常にポンプ作動室側の領域の方が中間室よりも高くなる。同様に、第２のシール部材を挟む２つの領域（即ち、中間室及び膨張機の背圧室側の領域）の流体の圧力は、常に背圧室側の領域の方が中間室よりも高くなる。それゆえ、仮に背圧室とポンプ作動室における流体の圧力の大小関係が逆転しても、第１のシール部材を挟む２つの領域の流体の圧力の大小関係は不変であり、同様に、第２のシール部材を挟む２つの領域の流体の圧力の大小関係も不変となる。このため、ギヤポンプの作動中に背圧室とポンプ作動室における流体の圧力の大小関係が逆転しても、作動流体がシール部材を挟む２つの領域の一方の領域から他方の領域へシール部材を介して漏出することを抑制することができる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明を実施するための形態、及び、実施例にて詳しく説明する。

実施例１の流体機械の断面図を示す。 実施例１の流体機械の一部であるポンプ作動室を拡大して示す。 実施例２の流体機械の断面図を示す。 実施例３の流体機械の断面図を示す。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

（特徴１） 本明細書が開示する流体機械では、連通路が、中間室と、ランキンサイクルの低圧流体領域の内、作動流体が液相である領域とを連通してもよい。作動流体が液相である領域の温度の方が、作動流体が気相である領域の温度よりも低い。このため、この構成を採用することにより、中間室の温度を、中間室が、気相の作動流体が流れる低圧流体領域と連通している場合に比べて低くすることが可能になる。シール部材の耐熱性はその材質により異なるものの、中間室の温度を比較的に低く保つことにより、シール部材が高温に起因して劣化、破損することを抑制することができる。

（特徴２） 本明細書が開示する流体機械では、低圧流体領域が、ランキンサイクルのコンデンサとポンプ部の上流端との間の領域であってもよい。ランキンサイクルを流れる気相の作動流体はコンデンサにより凝縮されて液相となり、ポンプ部の上流端に流入する。即ち、ランキンサイクルのコンデンサとポンプ部の上流端との間の領域には液相の作動流体が存在する。この構成によると、低圧流体領域からの流体が中間室に流れても、低圧流体領域の流体は液相であるため、シール部材が高温に起因して劣化、破損することを抑制することができる。

（特徴３） 本明細書が開示する流体機械では、低圧流体領域が、膨張機の下流端とランキンサイクルのコンデンサとの間の領域であってもよい。ランキンサイクルを流れる気相の作動流体は膨張機の下流端から吐出されてコンデンサに送られる。即ち、膨張機の下流端とランキンサイクルのコンデンサとの間の領域には気相の作動流体が存在する。この構成によっても、作動流体がシール部材を介して漏出することを抑制することができる。

（特徴４） 本明細書が開示する流体機械では、ハウジングに、ポンプ部の吸入側の作動流体の圧力と吐出側の作動流体の圧力との中間の圧力である作動流体が存在するポンプ側中間圧領域と、膨張機の吸入側の作動流体の圧力と吐出側の作動流体の圧力との中間の圧力である作動流体が存在する膨張機側中間圧領域と、がさらに形成されていてもよい。そして、第１のシール部材がポンプ側中間圧領域と中間室とをシールし、第２のシール部材が膨張機側中間圧領域と中間室とをシールしてもよい。この構成によると、ポンプ部の作動中に膨張機側中間圧領域とポンプ側中間圧領域における作動流体の圧力の大小関係が逆転しても、作動流体が第１のシール部材を介して一方の領域から他方の領域へ漏出すること、及び作動流体が第２のシール部材を介して一方の領域から他方の領域へ漏出することを抑制することができる。

（特徴５） ポンプ部と膨張機との間には作動流体を一時的に貯留する貯留室が形成されており、膨張機側中間圧領域と貯留室とはシールされていてもよい。この構成によると、膨張機で膨張した作動流体の持つ熱により加熱された貯留室内の作動流体が膨張機側中間圧領域に漏出することが抑制され、結果として膨張機で膨張した作動流体の持つ熱が膨張機側中間圧領域に直接伝わることを抑制することができる。

実施例１の流体機械１０を図を用いて説明する。本実施例の流体機械１０は、ランキンサイクルに用いられる。流体機械１０は、有底の略筒状であるハウジング本体１２と、ハウジング本体１２の開口側を閉じるリアハウジング１３を備えている。ハウジング本体１２の内部にはプレート１４が配設されている。プレート１４は、ハウジング本体１２内の空間をリアハウジング１３側とハウジング本体１２の底部側とに区画する。プレート１４内には、後で詳述する駆動軸挿通孔６１が形成されている。ハウジング本体１２の底部側の空間にはギヤポンプ２０が収容されている。駆動軸２２の一端は駆動源（図示省略）に接続されている。駆動源によって駆動軸２２が駆動される。ハウジング本体１２のリアハウジング１３側には膨張機４０が収容されている。ハウジング本体１２の内部において、プレート１４のハウジング本体１２底部側には、作動流体の流路がプレート１４と略平行に形成されている。上記流路の一端はハウジング本体１２の上部（紙面の上側）に開口している。上記流路の他端はプレート１４を介して貯留室５６に連通している。貯留室５６は、ハウジング本体１２の内部であって、ポンプ作動室３０と後述する旋回スクロール５０との間の空間に設けられている。ハウジング本体１２の下部には、貯留室５６と連通する液吐出部１９が形成されている。

上記流路（すなわち、ハウジング本体１２の底部側に形成され、プレート１４と平行に延びる流路）にはポンプ作動室３０が形成されている。ポンプ作動室３０はギヤポンプ２０を収容する。ハウジング本体１２の上部の開口からギヤポンプ２０までの流路を吸入流路１６と称し、ギヤポンプ２０から貯留室５６までの流路を吐出流路１８と称する。説明を分かりやすくするために、本実施例ではポンプ作動室３０の内部において吸入流路１６が占める領域を特に吸入領域３１と称し、同様に、ポンプ作動室３０内部において吐出流路１８が占める領域を特に吐出領域３３と称する。ポンプ作動室３０のハウジング本体１２底部側には、貫通孔３７が形成されている。貫通孔３７は、ハウジング本体１２の内部を、ポンプ作動室３０からハウジング本体１２の外側に向かって貫通する筒状の空洞であり、ハウジング本体１２の底部に開口する。ギヤポンプ２０を駆動する駆動軸２２は、ハウジング本体１２に軸受２３を介して回転可能に支持されている。駆動軸２２は、ポンプ作動室３０、及び貫通孔３７を貫通して、その一端がハウジング本体１２の外部に突出している。

続いて、図２を参照してギヤポンプ２０について説明する。ギヤポンプ２０は、駆動軸２２によって駆動される駆動ギヤ２１と、駆動ギヤ２１に従動する従動ギヤ２６を備える。駆動ギヤ２１と従動ギヤ２６は、互いの歯が噛合するようにポンプ作動室３０に配設されている。駆動軸２２は、駆動ギヤ２１の中心を貫通するように駆動ギヤ２１に取り付けられている。駆動軸２２が回転すると、それに伴い駆動ギヤ２１が回転し、駆動ギヤ２１と噛合する従動ギヤ２６も回転する。駆動ギヤ２１と従動ギヤ２６が回転することで、ポンプ動作が行われる。なお、ポンプ作動室３０において、駆動ギヤ２１の歯と従動ギヤ２６の歯とが離反する側の領域が吸入領域３１に対応し、駆動ギヤ２１の歯と従動ギヤ２６の歯とが噛み合う側の領域が吐出領域３３に対応する。駆動ギヤ２１は、駆動軸２２の回転に伴い一体となって回転するものの、駆動ギヤ２１の内周面と駆動軸２２の外周面との間には、微小な隙間（図２の符号６６が示す領域）が形成されている。吸入領域３１に流れ込んだ作動流体は、昇圧されて吐出領域３３に吐出される過程で、この微小な隙間６６にも流れ込む。微小な隙間６６における作動流体の圧力は、ギヤポンプ２０の駆動に伴い成り行きで決まる圧力である。即ち、微小な隙間６６の作動流体の圧力は、吸入領域３１の作動流体の圧力（低圧）と、吐出領域３３の作動流体の圧力（高圧）との中間の圧力である。このため、以下では、この微小な隙間６６のことを「ポンプ側中間圧領域６６」と称する。なお、ギヤポンプ２０は、「ポンプ部」の一例に相当する。なお、駆動軸２２が駆動ギヤ２１に圧入により取り付けられ、両者の間に隙間が形成されていない場合においても、ポンプ側中間圧領域６６は存在する。ハウジング本体１２内には、駆動ギヤ２１及び従動ギヤ２６が回転するためのクリアラスが形成されており、このクリアランス内においては、吐出領域３３と吸入領域３１との差圧により、作動流体が吐出領域３３から吸入領域３１に流れる。この場合、駆動軸２２近傍に、吐出領域３３の作動流体の圧力と吸入領域３１の作動流体の圧力との中間の圧力を持つ作動流体が存在する領域、即ちポンプ側中間圧領域６６が形成される。

次に、図１に戻って膨張機４０について簡単に説明する。膨張機自体の構造は既知であるためその詳細な説明は省略する。図１に示すように、駆動軸２２の他端には、駆動軸２２と同軸上に、駆動軸２２と一体となって回転する従動軸２４が取り付けられている。従動軸２４は、軸受２５によってハウジング本体１２に回転可能に支持されている。従動軸２４のリアハウジング１３側の端部には、偏心軸４２が取付けられている。偏心軸４２の軸線は、従動軸２４の軸線から偏心した位置（すなわち、両者の軸線が重ならない位置）に設けられている。このため、駆動軸２２の回転に伴い従動軸２４が回転すると、偏心軸４２は、従動軸２４の軸線周りを公転する。偏心軸４２のリアハウジング１３側の端部には、ブッシュ４４が取り付けられている。ブッシュ４４には、軸受４５を介して旋回スクロール５０が回転可能に支持されている。なお、旋回スクロール５０には自転防止ピン５４が形成されており、旋回スクロール５０の自転を防止できるようになっている。従って、旋回スクロール５０がブッシュ４４に対して軸受４５を介して回転可能に支持されていても、旋回スクロール５０が偏心軸４２の軸線周りに自転することはない。上記の説明から明らかなように、駆動軸２２が回転すると、従動軸２４が回転し、旋回スクロール５０も従動軸２４の軸線周りを公転する。即ち、旋回スクロール５０は、駆動軸２２に対して動力伝達が可能とされており、動力伝達の観点では、駆動軸２２に接続されているということもできる。ハウジング本体１２のリアハウジング１３側には、固定スクロール５２が固設されている。旋回スクロール５０と固定スクロール５２は、互いの渦巻き板が対向するように配置されている。旋回スクロール５０が固定スクロール５２内を旋回することにより、互いの渦巻き板によって仕切られた空間（以下、旋回室とも称する）の体積が変動するようになっている。固定スクロール５２の中心には吸入口５３が設けられている。即ち、膨張機４０は、旋回スクロール５０、固定スクロール５２、自転防止ピン５４により構成されている。リアハウジング１３の上部の開口にはガス吸入部５５が設けられている。吸入口５３とガス吸入部５５とは、ガス吸入室５７を介して連通している。旋回スクロール５０のポンプ作動室３０側には、背圧室４８が形成されている。背圧室４８は、ハウジング本体１２の内部に形成された筒状の空洞であり、ガス吸入室５７より絞りを介して連通している。偏心軸４２は背圧室４８の内部空間を挿通している。背圧室４８と膨張機４０との間は、ガスケットなどのシール部材によってシール（封止）されている。背圧室４８の圧力は、制御装置（図示省略）によって制御される。制御装置は、例えば、膨張機の吸入側と吐出側とにおける圧力差が大きいときは背圧を大きくする。これにより、旋回スクロール５０が固定スクロール５２に押し付けられ、作動流体の漏れを防ぐとともに、旋回スクロール５０の適切な動作が可能となる。制御装置は、背圧室４８内の作動流体の圧力が、吸入口５３の作動流体の圧力（高圧）とガス吐出部５８の作動流体の圧力（低圧）との中間の圧力になるように制御する。一方、膨張機４０の上方には、膨張機４０の内部空間からハウジング本体１２の上部に向かって、ハウジング本体１２を貫通する吐出流路が形成されている。その流路の上端部の開口には、ガス吐出部５８が形成されている。

ハウジング本体１２の下部に設けられた液吐出部１９は、流路７０ａを介してボイラの吸熱器（後述）に接続されている。ボイラは、車両のエンジン（図示省略）から排出される排ガスやラジエータ（図示省略）の冷却に用いられる冷却液（以下、排熱源とも称する）からの熱を放熱する放熱器と、放熱器から放熱される熱を吸熱する吸熱器とを有する熱交換器である。ボイラの吸熱器は、流路７０ｂを介してリアハウジング１３の上部に設けられたガス吸入部５５に接続されている。ガス吸入部５５は、ガス吸入室５７、膨張機４０の吸入口５３及び旋回室を経由してハウジング本体１２の上部に設けられたガス吐出部５８に連通している。ガス吐出部５８は、流路７０ｃを介してコンデンサ８０に接続されている。コンデンサ８０はガス吐出部５８から供給されるガスを凝縮して液体に状態変化させる凝縮器である。コンデンサ８０は、流路７０ｄを介してハウジング本体１２の上部に設けられた吸入流路１６に接続されている。吸入流路１６はポンプ作動室３０を介して吐出流路１８と連通しており、吐出流路１８は貯留室５６を介して液吐出部１９と連通している。

ここで、駆動軸挿通孔６１について説明する。駆動軸挿通孔６１はプレート１４内に形成された筒状の空洞であり、ポンプ作動室３０と背圧室４８との間に位置している。ポンプ作動室３０を貫通した駆動軸２２は、駆動軸挿通孔６１を貫通し、その先端に前述したように従動軸２４が取り付けられている。即ち、ハウジング本体１２の内部には、駆動軸部（即ち、駆動軸２２、従動軸２４、偏心軸４２）に沿って、貫通孔３７、ポンプ作動室３０、駆動軸挿通孔６１、及び背圧室４８が並んで配置されている。駆動軸挿通孔６１には、駆動軸２２の軸方向に沿って、２つの軸シール６０、６２が間隔を空けて配設されている。以下では、ポンプ作動室３０側に配置された軸シール６０を「ポンプ側軸シール６０」と称し、膨張機４０側に配置された軸シール６２を「膨張機側軸シール６２」と称する。

ポンプ側軸シール６０及び膨張機側軸シール６２は、共に駆動軸２２の外周面と駆動軸挿通孔６１の内面との隙間をシール（封止）する。駆動軸挿通孔６１には、ポンプ側軸シール６０、膨張機側軸シール６２、駆動軸２２の外周面、及び駆動軸挿通孔６１の内面によって囲まれた空間が形成される。以下では、この空間を「中間室６４」と称する。前述したように、駆動ギヤ２１と駆動軸２２との間にはポンプ側中間圧領域６６が形成されている。ポンプ側中間圧領域６６は、駆動軸２２の外周面とハウジング本体１２の内面との間に形成された僅かな隙間を通じて、駆動軸挿通孔６１（詳細には、符号６７で示される、駆動軸挿通孔６１における、ポンプ側軸シール６０よりポンプ作動室側の領域）と連通している。この領域６７もポンプ側中間圧領域６６の一部であり、以下では、この領域６７もポンプ側中間圧領域６６と称する。一方、背圧室４８も、従動軸２４の外周面と軸受２５の内周面との間に形成された隙間などを介して、駆動軸挿通孔６１（詳細には、符号６８で示される、駆動軸挿通孔６１における、膨張機側軸シール６２より背圧室側の領域）と連通している。以下では、この領域６８を膨張機側中間圧領域６８と称する。別言すれば、背圧室４８は、膨張機側中間圧領域６８と連通している。このため、膨張機側中間圧領域６８の作動流体の圧力は背圧室４８の作動流体の圧力と略同一である。上記の構成は次のように言うこともできる。即ち、ポンプ側軸シール６０によって、ポンプ側中間圧領域６６と中間室６４とが区画されており、膨張機側軸シール６２によって、膨張機側中間圧領域６８と中間室６４とが区画されている。また、貯留室５６と膨張機側中間圧領域６８とはシール部材によりシールされている。従って、中間室６４と貯留室５６とは区画されている。なお、ポンプ側軸シール６０は「第１のシール部材」の一例に相当し、膨張機側軸シール６２は「第２のシール部材」の一例に相当する。本実施例では、ポンプ側中間圧領域６６内の作動流体の圧力が中間室６４内の作動流体の圧力より高いとして、ポンプ側軸シール６０が設計されている。また、膨張機側中間圧領域６８内の作動流体の圧力が中間室６４内の作動流体の圧力より高いとして、膨張機側軸シール６２が設計されている。なお、ポンプ側軸シール６０及び膨張機側軸シール６２にはゴム製のＶパッキンを用いることができるが、軸シールの材質やパッキンの材質及び種類はこれに限られない。また、ポンプ側軸シール６０と膨張機側軸シール６２に異なる材質の軸シールを用いてもよい。

本実施例では、プレート１４内に、中間室６４と吸入流路１６とを連通させる連通路３５が形成されている。連通路３５により、流体機械１０の作動中は、中間室６４内の作動流体の圧力が吸入流路１６内の作動流体の圧力と略同一に維持される。

次に、流体機械１０の動作について説明する。駆動源から動力が伝達されると、駆動軸２２が駆動され、駆動軸２２が回転する。駆動軸２２の回転に伴い駆動ギヤ２１が回転すると、駆動ギヤ２１と噛合する従動ギヤ２６が、駆動ギヤ２１と逆回りに回転することで、ギヤポンプ２０として機能する。駆動ギヤ２１及び従動ギヤ２６が回転すると、ギヤ同士が離反する側、即ちポンプ作動室３０の吸入領域３１が低圧になり、ギヤ同士が噛合する側、即ち吐出領域３３が高圧になる。これにより、吸入流路１６を流れる低温低圧の作動流体（液相）が吸入領域３１に流れ込み、ギヤポンプ２０により昇圧され吐出領域３３に吐出される。このとき、ポンプ作動室３０内の作動流体の一部はポンプ側中間圧領域６６にも流出する。吐出領域３３に吐出された作動流体は吐出流路１８を流れて貯留室５６に一時的に貯えられる。貯留室５６に貯えられた作動流体は、液吐出部１９から吐出されて流路７０ａを通ってボイラに送られる。ボイラに送られた低温高圧の作動流体（液相）は、吸熱器にて放熱器と熱交換を行い、加熱されて気化する。ボイラから排出される高温高圧の作動流体（気相）は、流路７０ｂを通ってガス吸入部５５に送られる。ガス吸入部５５に送られた作動流体はガス吸入室５７を通り、吸入口５３を経由して、旋回室に流れ込む。ガス吸入室５７に流れ込んだ作動流体の一部は絞りを介して背圧室４８に導入される。背圧室４８内の作動流体の圧力により、旋回スクロール５０が固定スクロール５２側に押付けられる。この状態で旋回室に流れ込んだ気相の作動流体が膨張すると、旋回室の体積が増加し、旋回スクロール５０が旋回する。旋回スクロール５０が旋回すると偏心軸４２及び従動軸２４を経由して、駆動軸２２が回転する。これにより、ギヤポンプ２０が駆動される。旋回室で膨張して圧力が下がった作動流体は、ガス吐出部５８から吐出されて流路７０ｃを経由してコンデンサ８０に送られる。コンデンサ８０に送られた高温低圧の作動流体（気相）は冷却されて液化する。コンデンサ８０で冷却された低温低圧の作動流体（液相）は、流路７０ｄを経由して吸入流路１６に流れ込み、以下同様のサイクルを繰り返す。即ち、膨張機４０の下流端（即ち、低圧高温の気体が吐出される旋回室の出口）からコンデンサ８０を介するギヤポンプ２０の上流端（即ち、低圧低温の液体が吸入されるギヤポンプ２０の吸入領域３１）までの領域が、低圧の作動流体が流れる領域となる。本明細書では、この領域を「低圧流体領域」と称する。低圧流体領域の内、膨張機４０の下流端から流路７０ｃを経由するコンデンサ８０までの領域は、低圧の気体が流れる領域である。このため、本明細書では、この領域のことを特に「低圧ガス領域」とも称する。一方、低圧流体領域の内、コンデンサ８０から流路７０ｄを経由するギヤポンプ２０の上流端までの領域は、低圧の液体が流れる領域である。このため、本明細書では、この領域のことを特に「低圧液領域」とも称する。

次に、ポンプ作動室３０、中間室６４、及び背圧室４８内の流体の圧力について説明する。流体機械１０が動作して作動流体が上述したランキンサイクルを流れると、ギヤポンプ２０の吸入領域３１に流れ込んだ作動流体は、昇圧されて吐出領域３３に吐出される過程で、その一部がポンプ側中間圧領域６６に流れ込む。ポンプ側中間圧領域６６内の流体の圧力は前述したように、ギヤポンプ２０の駆動により決定される成り行きの圧力である。即ち、吸入領域３１より高く、吐出領域３３よりも低い、両者の中間の圧力である。一方、膨張機４０のガス吸入室５７に流れ込んだ作動流体の一部は絞りを介して背圧室４８に導入される。背圧室４８内の流体の圧力は、制御装置によって、膨張機の吸入側（即ち、ガス吸入部５５からガス吸入室５７を介して吸入口５３に至る領域）の圧力より低く、吐出側（即ち、旋回室の出口からガス吐出部５８に至る領域）の圧力より高い圧力になるように制御されている。従って、背圧室４８と連通している膨張機側中間圧領域６８内の流体の圧力も、膨張機４０の吸入側の圧力と吐出側の圧力との中間の圧力に保たれる。

吸入流路１６は、前述したように低圧流体領域（詳細には、低圧液領域）の一部を構成する領域であるため、ランキンサイクルの系の中で最も圧力が低い領域である。このため、連通路３５を介して吸入流路１６に連通している中間室６４内の作動流体の圧力は、吸入流路１６と略同一の圧力、即ち、ランキンサイクルの系の中で最も低い圧力に保たれる。即ち、流体機械１０の作動中において、ポンプ側中間圧領域６６は、中間室６４よりも常に高い圧力に保たれる。同様に、膨張機側中間圧領域６８は、中間室６４よりも常に高い圧力に保たれる。

本実施例の流体機械１０の利点を説明する。従来の流体機械では、ポンプ作動室の作動流体が駆動軸を伝って背圧室に漏出する（あるいはその逆方向に漏出する）ことを抑制するために、駆動軸には軸シールが設けられていた。一般に、背圧室の流体の圧力は制御装置などによって制御され、背圧室とポンプ作動室の圧力の大小関係は、設計により決定される。軸シールは、設計により決定される背圧室とポンプ作動室の圧力の大小関係に基づいて、適切な向きに配置される。即ち、軸シールは、一方の方向におけるシール能力と他方の方向におけるシール能力とが著しく異なるため、軸シールを挟む２つの領域の高圧側から低圧側の方向に対して高いシール能力を発揮できるように軸シールが配置される。これにより、ポンプ作動室と背圧室との間で、高圧側から低圧側に軸シールを介して作動流体が漏出することを抑制していた。

しかしながら、例えば流体機械の運転状況が変わり作動流体の流量や圧力が変動することにより、背圧室の圧力を高く制御する場合がある。或いはギヤポンプが摩耗してクリアランスが変わると、ポンプ作動室内の圧力が変わる場合がある。このような場合、背圧室とポンプ作動室の圧力の大小関係が逆転することがあり、その結果、軸シールのシール能力が低下し、作動流体が軸シールを介して漏出してしまう問題が生じる。例えばポンプ作動室から液相の作動流体が背圧室に漏出すると、背圧が過大となり膨張機が損傷する可能性がある。或いは、背圧室から気相の作動流体がポンプ作動室に漏出すると、ギヤポンプにキャビテーションが発生し、ギヤポンプの移送効率が低下する。

本実施例の流体機械１０では、ポンプ作動室３０（厳密にはポンプ側中間圧領域６６）と背圧室４８（厳密には膨張機側中間圧領域６８）との間に、ポンプ側軸シール６０及び膨張機側軸シール６２によって中間室６４を区画し、中間室６４にランキンサイクルの系における最低圧力となる作動流体を導入する。このような構成を採用することにより、仮にポンプ側中間圧領域６６と膨張機側中間圧領域６８の圧力の大小関係が逆転しても、ポンプ側中間圧領域６６と中間室６４の圧力の大小関係は不変となり、同様に、膨張機側中間圧領域６８と中間室６４の圧力の大小関係も不変となる。このため、ポンプ側中間圧領域６６と膨張機側中間圧領域６８の圧力の大小関係が逆転しても、ポンプ側中間圧領域６６と中間室６４とを区画しているポンプ側軸シール６０のシール能力は低下することがない。同様に、膨張機側中間圧領域６８と中間室６４とを区画している膨張機側軸シール６２のシール能力も低下することがない。ポンプ側軸シール６０、膨張機側軸シール６２共に、流体機械１０の作動中に亘って高いシール能力を維持することが可能となる。従って、作動流体がポンプ側軸シール６０及び膨張機側軸シール６２を介して一方の領域から他方の領域に漏出することを抑制することができる。結果として、作動流体の漏出に起因する膨張機の損傷やギヤポンプの効率低下といった問題の発生を抑制することができる。

また、本実施例の連通路３５は、中間室６４と、低圧液領域である吸入流路１６とを連通させる。一般に、低圧液領域の方が低圧ガス領域よりも温度が低いため、このような構成にすることにより、ポンプ側軸シール６０及び膨張機側軸シール６２の耐久性が熱に起因して低下することを抑制することができる。その結果、これらの軸シール６０，６２を、高いシール能力を維持したまま長期に亘って使用することができる。

また、本実施例の中間室６４は、ランキンサイクルの系の最低圧力の領域と連通しているため、中間室６４はランキンサイクルの系における最低圧力に保たれる。これによって、ポンプ側中間圧領域６６と中間室６４の圧力の大小関係、及び、膨張機側中間圧領域６８と中間室６４の圧力の大小関係を維持しながら、膨張機側軸シール６２を挟む２つの領域（即ち、膨張機側中間圧領域６８及び中間室６４）の間の圧力差を小さくすることができる。ポンプ側中間圧領域６６と中間室６４の圧力の大小関係、及び、膨張機側中間圧領域６８と中間室６４の圧力の大小関係を維持する方法としては、中間室６４の圧力をランキンサイクルの系の最高圧力とすることも考えられる。ここで、背圧室４８の圧力は、膨張機４０の吸入側と吐出側との中間の圧力に制御されるものの、吐出側の圧力に近く、比較的に低い。このため、中間室６４の圧力をランキンサイクルの系の最高圧力とすると、膨張機側軸シール６２を挟む２つの領域（即ち、膨張機側中間圧領域６８及び中間室６４）の間の圧力差は大きくなる。一方、中間室６４の圧力を系の最低圧力にすると、膨張機側軸シール６２を挟む２つの領域（即ち、膨張機側中間圧領域６８及び中間室６４）の間の圧力差は小さくなる。従って、膨張機側軸シール６２に作用する負荷を低減することができ、結果として膨張機側軸シール６２を長期に亘って使用することができる。

さらに、本実施例ではポンプ作動室３０と旋回スクロール５０との間の空間に貯留室５６が設けられ、貯留室５６と膨張機側中間圧領域６８とがシール部材によって区画されている。貯留室５６内の作動流体は、膨張機４０で生じる熱によって加熱される。このため、仮に貯留室５６と膨張機側中間圧領域６８とがシール部材で区画されていない場合、貯留室５６内の作動流体が膨張機側中間圧領域６８に流れ、膨張機４０で生じた熱が、貯留室５６内の作動流体に伝えられ、さらに、中間室６４内の作動流体や中間室６４周りのプレート１４を介して、ギヤポンプ２０の吸入領域３１やポンプ作動室３０に伝わると、ポンプ作動室３０内でキャビテーションが発生し易くなる。本実施例では、貯留室５６と膨張機側中間圧領域６８とがシール部材によって区画されているため、ポンプ作動室３０内にキャビテーションが発生することを抑制することができる。

また、仮にコンデンサ８０からの作動流体を貯留室５６を介して吸入流路１６に供給し、ギヤポンプ２０で圧縮された作動流体を吐出流路１８から直接外部に吐出する構成を採用する場合、中間室６４と貯留室５６とが連通する構成となる。かかる場合、膨張機４０により加熱された貯留室５６内の作動流体がギヤポンプ２０に吸入され、ギヤポンプ２０においてキャビテーションが生じ易くなる。一方、本実施例では、貯留室５６が膨張機側中間圧領域６８とシール部材で区画され、その結果、貯留室５６と中間室６４もシール部材で区画されている。したがって、実施例の流体機械では、ギヤポンプ２０にキャビテーションが発生することを抑制することができる。

実施例２の流体機械１０ａを図３を用いて説明する。実施例２の流体機械１０ａは、実施例１の流体機械１０の一部を変更したものである。従って、ここでは実施例１の流体機械１０との相違点について説明する。なお、実施例１の流体機械と同一の部材については同一符号を用い、その詳細な説明を省略することとする。

図３は実施例２の流体機械１０ａの断面図を示す。実施例１の流体機械１０では、吐出流路１８がハウジング本体１２内部において貯留室５６と連通しているが、本実施例の流体機械１０ａでは、吐出流路１８が貯留室５６とは連通していない。吐出流路１８はプレート１４と平行に延び、その下端がハウジング本体１２の下部に開口している。これに伴い、貯留室５６と連通する液吐出部１９は形成されない。吐出流路１８の下端部は、流路７０ａを介してボイラの吸熱器に接続されている。また、本実施例では、ハウジング本体１２の下方に、旋回室と貯留室５６とを連通させる流路１７が形成されている。ハウジング本体１２には貯留室５６と連通する流路が形成されており、その流路の下流端にはガス吐出部５９が形成されている。ガス吐出部５９は、流路７０ｃを介してコンデンサ８０に接続されている。即ち、実施例１では、コンデンサ８０は流路７０ｃを介して旋回室から延びる流路に接続されているが、本実施例では、コンデンサ８０は貯留室５６から延びる流路に接続されている。また、実施例１では、中間室６４は連通路３５を介して吸入流路１６に連通しているが、本実施例では、中間室６４は連通路３５を介して貯留室５６に連通している。

次に、流体機械１０ａの動作について説明する。駆動源から動力が伝達されてギヤポンプ２０が駆動すると、吸入流路１６を流れる低温低圧の作動流体（液相）はギヤポンプ２０により昇圧される。昇圧された低温高圧の作動流体は吐出流路１８の下流端の開口から吐出され、流路７０ａを通ってボイラに送られる。ボイラで気化した高温高圧の作動流体（気相）は、流路７０ｂを通ってガス吸入部５５に送られ、旋回室に流れ込む。旋回室に流れ込んだ作動流体が膨張することで旋回スクロール５０が旋回し、ギヤポンプ２０が駆動される。旋回室で膨張した高温低圧の作動流体（気相）は、流路１７を通って貯留室５６に一時的に貯えられる。貯留室５６に貯えられた作動流体は、ガス吐出部５９から吐出されて流路７０ｃを通ってコンデンサ８０に送られる。コンデンサ８０で液化した低温低圧の作動流体（液相）は流路７０ｄを経由して吸入流路１６に流れ込み、以下同様のサイクルを繰り返す。

本実施例の流体機械１０ａでは、膨張機４０の下流端は、貯留室５６を介してコンデンサ８０に接続されている。実施例１の貯留室５６にはギヤポンプ２０から吐出される液相の作動流体が貯えられるが、本実施例の貯留室５６には膨張機４０から吐出される気相の作動流体が貯えられる。即ち、本実施例の貯留室５６は「低圧ガス領域」の一部を構成する。中間室６４は連通路３５を介して貯留室５６と連通している。即ち、中間室６４は低圧ガス領域と連通しているため、中間室６４はランキンサイクルの系における最低圧力に保たれる。この構成によると、仮にポンプ側中間圧領域６６と膨張機側中間圧領域６８の圧力の大小関係が逆転しても、ポンプ側軸シール６０及び膨張機側軸シール６２のシール能力が低下することがない。従って、作動流体がポンプ側軸シール６０及び膨張機側軸シール６２を介して漏出することを抑制することができる。結果として、作動流体の漏出に起因する膨張機の損傷やギヤポンプの効率低下といった問題の発生を抑制することができる。

実施例３の流体機械１０ｂを図４を用いて説明する。実施例３の流体機械１０ｂは、実施例１の流体機械１０の一部を変更したものである。従って、ここでは実施例１の流体機械１０との相違点について説明する。なお、実施例１の流体機械と同一の部材については同一符号を用い、その詳細な説明を省略することとする。

図４は実施例３の流体機械１０ｂの断面図を示す。実施例１では、中間室６４は連通路３５を介して吸入流路１６と連通しているが、本実施例では、中間室６４は連通路３５を介して、膨張機４０の下流端からコンデンサ８０までの流路と連通している。即ち、連通路３５の一部はハウジング本体１２の外部に形成されている。流体機械１０ｂの動作は、流体機械１０の動作と同様であるため、説明を省略する。

本実施例の流体機械１０ｂでは、中間室６４は連通路３５を介して低圧ガス領域と連通している。これにより、中間室６４はランキンサイクルの系における最低圧力に保たれる。この構成によると、仮にポンプ側中間圧領域６６と膨張機側中間圧領域６８の圧力の大小関係が逆転しても、ポンプ側軸シール６０及び膨張機側軸シール６２のシール能力が低下することがない。従って、作動流体がポンプ側軸シール６０及び膨張機側軸シール６２を介して漏出することを抑制することができる。結果として、作動流体の漏出に起因する膨張機の損傷やギヤポンプの効率低下といった問題の発生を抑制することができる。

以上、本明細書が開示する技術の実施例について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、本明細書が開示する流体機械は、上記の実施例を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば、中間室６４は、吸入流路１６以外の低圧液領域に連通していてもよい。即ち、中間室６４は、ランキンサイクルにおける低圧流体領域に連通していてもよい。このとき、連通路３５の一部をハウジング外に形成してもよい。連通路３５はこのような構成によっても、上述した実施例１の流体機械１０と同様の作用効果を得ることができる。また、実施例１では、作動流体を圧送するポンプ部と、作動流体を膨張させる膨張機を同一のハウジング内に設けたが、ポンプ部と膨張機は別の装置であり、それらをまとめて流体機械（ランキンサイクル）として機能させてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：流体機械
１２：ハウジング本体
１３：リアハウジング
１４：プレート
１６：吸入流路
１８：吐出流路
１９：液吐出部
２０：ギヤポンプ
２１：駆動ポンプ
２２：駆動軸
２３：軸受
２４：従動軸
２５：軸受
３０：ポンプ作動室
３１：吸入領域
３３：吐出領域
３５：連通路
３７：貫通孔
４０：膨張機
４２：偏心軸
４４：ブッシュ
４５：軸受
４８：背圧室
５０：旋回スクロール
５２：固定スクロール
５３：吸入口
５４：自転防止ピン
５５：ガス吸入部
５６：貯留室
５７：ガス吐出室
６０：ポンプ側軸シール
６２：膨張機側軸シール
６４：中間室
６６：ポンプ側中間圧領域
６８：膨張機側中間圧領域

Claims (6)

1. ランキンサイクルに用いられる流体機械であって、
   ハウジングと、
   前記ハウジング内に設けられているポンプ部と、
   前記ポンプ部を駆動する駆動軸と、
   前記ハウジング内に設けられ、前記駆動軸に動力を伝達可能な旋回スクロールと、前記ハウジングに固定された固定スクロールを有する膨張機と、を備え、
   前記ハウジングには、前記駆動軸に沿って、前記ポンプ部を収容するポンプ作動室と、前記旋回スクロールを前記固定スクロールに押圧する背圧室と、前記ポンプ作動室と前記背圧室との間に位置し、前記駆動軸が挿通する駆動軸挿通孔と、が形成されており、
   前記駆動軸挿通孔には、
   前記駆動軸の外周面と前記駆動軸挿通孔の内面とをシールする第１のシール部材と、
   第１のシール部材と前記駆動軸の軸方向に間隔を空けて配置され、前記駆動軸の外周面と前記駆動軸挿通孔の内面とをシールする第２のシール部材が設けられており、
   前記駆動軸挿通孔には、前記第１のシール部材、前記第２のシール部材、及び駆動軸によって区画される中間室が形成されており、
   前記流体機械は、前記中間室とランキンサイクルの低圧流体領域とを連通する連通路をさらに備えている、流体機械。
2. 前記連通路は、前記中間室と、ランキンサイクルの前記低圧流体領域の内、作動流体が液相である領域とを連通することを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
3. 前記低圧流体領域が、ランキンサイクルのコンデンサと前記ポンプ部の上流端との間の領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の流体機械。
4. 前記低圧流体領域が、前記膨張機の下流端とランキンサイクルのコンデンサとの間の領域であることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
5. 前記ハウジングには、
   前記ポンプ部の吸入側の作動流体の圧力と吐出側の作動流体の圧力との中間の圧力である作動流体が存在するポンプ側中間圧領域と、
   前記膨張機の吸入側の作動流体の圧力と吐出側の作動流体の圧力との中間の圧力である作動流体が存在する膨張機側中間圧領域と、がさらに形成されており、
   前記第１のシール部材が前記ポンプ側中間圧領域と前記中間室とをシールし、前記第２のシール部材が前記膨張機側中間圧領域と前記中間室とをシールすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の流体機械。
6. 前記ポンプ部と前記膨張機との間には作動流体を一時的に貯留する貯留室が形成されており、前記膨張機側中間圧領域と前記貯留室とはシールされていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の流体機械。
   

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