特許第5731166号(P5731166)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5731166
(24)【登録日】2015年4月17日
(45)【発行日】2015年6月10日
(54)【発明の名称】低温液化ガス用ポンプ
(51)【国際特許分類】
   F04D 7/02 20060101AFI20150521BHJP
   F17C 13/00 20060101ALI20150521BHJP
   F04D 13/00 20060101ALI20150521BHJP
【FI】
   F04D7/02 A
   F17C13/00 302D
   F04D13/00 F
【請求項の数】2
【全頁数】20
(21)【出願番号】特願2010-242924(P2010-242924)
(22)【出願日】2010年10月29日
(65)【公開番号】特開2012-92813(P2012-92813A)
(43)【公開日】2012年5月17日
【審査請求日】2013年7月17日
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】000126115
【氏名又は名称】エア・ウォーター株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100109472
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 直之
(72)【発明者】
【氏名】城地 勇人
(72)【発明者】
【氏名】國谷 晋吾
(72)【発明者】
【氏名】吉野 明
【審査官】 所村 陽一
(56)【参考文献】
【文献】 特開昭59−200091(JP,A)
【文献】 特公昭46−032899(JP,B1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F04D 7/02
F04D 13/00
F17C 13/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
モータによってインペラが回転駆動されることにより、低温液化ガスに圧力差を与えてポンプ移送する低温液化ガス用ポンプであって、
上記モータとインペラは、それらの間で回転駆動を伝達する回転伝達手段で連結され、 上記モータとインペラは、モータが上側にインペラが下側になるよう配置され、
上記モータおよびインペラがそれぞれ、互いに連通して低温液化ガスが導入される密閉空間内に存在し、
上記密閉空間は、それぞれ密閉空間の一部をなす、モータ用空間、インペラ用空間および回転伝達手段用空間を備えて構成され、
上記モータ用空間は低温液化ガスの液面より上側に、上記インペラ用空間は低温液化ガスの液面より下側に配置され、
上記モータとインペラの間には、上記回転伝達手段用空間と、その内部に存在する回転伝達手段の一部と、上記回転伝達手段用空間を形成するための熱調整ハウジングに熱を付与するための熱付与手段とを含んで構成されることにより、低温液化ガスの液相内にインペラを存在させるよう保つとともに、低温液化ガスの気相内にモータを存在させるよう保つための熱調整部が設けられ、
上記モータが存在するモータ用空間は、密閉された密閉空間であり、耐圧の圧力密閉空間に形成されてい
ことを特徴とする低温液化ガス用ポンプ。
【請求項2】
上記回転伝達手段は、モータの回転軸とインペラの回転軸の双方に対して同軸状の1または2以上のシャフトを含んで構成されている請求項1記載の低温液化ガス用ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、低温液化ガスを移送するための低温液化ガス用ポンプに関するものである。
【背景技術】
【0002】
低温液化ガス(液体酸素、液体窒素、液体アルゴン、液化天然ガス(LNG)などの沸点が−150℃以下の液化ガス)を配管を通して移送する際には、遠心式ポンプなどを使用して、圧力差を作ることによって行われる。
【0003】
従来の遠心式低温液化ガス用ポンプには、つぎのようなものがある。
(1)軸シールポンプ(非特許文献1:Cryostar社インターネットカタログ 型式GBSD)
(2)サブマージドポンプ(非特許文献2:日機装株式会社、クライオジェニックポンプカタログ Cataogue NO.2075R4、非特許文献3:Cryostar社インターネットカタログ 型式VS、特許文献1:特開平6−288382)
(3)マグネットカップリング駆動シールレスポンプ(非特許文献4:CS&P Cryogenic社インターネットカタログ 型式Centrifugal Pum 2”×3”×6.7”、特許文献2:特表2001−514360)
【0004】
前述のそれぞれについて説明する。
(1)軸シールポンプ(非特許文献1)
液体に圧力差を発生させるインペラを低温液化ガス中に存在させる一方、インペラを回転駆動するためのモータを大気中に存在させるポンプである。インペラとモータは、ハウジングを貫通するポンプシャフトで連結される。低温液化ガスはインペラを収容するハウジング内に充満しているが、ハウジングを貫通するポンプシャフトを低温液化ガスが漏れないように回転させるため、軸シールが用いられている。
(2)サブマージドポンプ(非特許文献2、非特許文献3、特許文献1)
インペラだけでなく、それを回転駆動するモータおよび軸受け全てを低温液化ガス中に存在させたポンプである。ポンプ全体を覆うケーシング内に低温液化ガスが充満され、軸シールを使用していない。
(3)マグネットカップリング駆動シールレスポンプ(非特許文献4、特許文献1)
インペラを低温液化ガス中に存在させ、インペラを回転駆動するためのモータを大気中に存在させるポンプである。インペラとモータは、圧力隔壁を介して分離された液相と気相にそれぞれ配置され、インペラ側シャフトとモータ側シャフトはマグネットカップリングで回転が伝達される。
【0005】
ここで、ポンプの設置場所としては、一般に、定置式ポンプ設備として地上に設置する場合と、移動式ポンプ設備として車輛(タンクローリ車)に搭載される場合がある。また、使用方法としては、常時運転するケース、常時スタンバイ状態として必要な時だけ運転するケース、必要な時にスタンバイしてその後運転するケースなどがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平6−288382
【特許文献2】特表2001−514360
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】Cryostar社インターネットカタログ 型式GBSD(http://www.cryostar.com/pdf/data-sheet/en/gbsd.pdf)
【非特許文献2】目機装株式会社、クライオジェニックポンプカタログ Catalogue NO.2075R4
【非特許文献3】Cryostar社インターネットカタログ 型式VS(http://www.cryostar.com/pdf/data-sheet/us/vs.pdf)
【非特許文献4】CS&P Cryogenic社インターネットカタログ 型式Centrifugal Pump 2”×3”×6.7”(http://www.csphouston.com/industrial_cryogenic/centrifugal.php)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
最も一般的なポンプは、固定部と回転部を摺動させながらシールする「軸シール」を有する軸シールポンプである。このポンプの最大の欠点は、軸シールが磨耗して寿命が来ると、低温液化ガスが漏れることである。漏れ出て飛散した液化ガスが人体に付着すると低温火傷になるなど危険であり、漏れ量が多くなるとロスが増えるだけでなくポンプ性能も低下する。また、可燃性のガスが漏れた場合は火災発生の危険性もある。そこで、軸シールを用いない「シールレスポンプ」と呼ばれるポンプが使用されている。
【0009】
「シールレスポンプ」にはいくつかのタイプがあり、「サブマージドポンプ」と呼ばれるモータ部を含めて低温液化ガス中に浸漬させるものや、マグネットカップリングを用いて軸の貫通部を持たないものなどがある。
【0010】
しかしながら、従来のシールレスポンプは、回転軸を低温液化ガス中に浸漬された軸受けで支えているため、軸受けが低温下で使用されることとなる。このため、一般的な潤滑剤であるグリースは使用限界温度以下となって使用することができない(例えば、市販されている航空機用汎用グリースの使用温度下限は−73℃程度である)。また、仮に低温下で使用できる潤滑剤があったとしても、移送される低温液化ガス中に軸受けが浸漬されて回転することから、潤滑剤が低温液化ガス中に流入し、そのまま不純物となって混入してしまう。このため、セラミックボール軸受けやステンレス軸受けなど、低温液化ガスで潤滑させるものや固体潤滑剤を使用したものなど、一般的な軸受けに比べると高価なものを使用しなければならない。
【0011】
また、軸受けの回転で摩擦熱が発生し、『サブマージドポンプ』ではモータの回転に伴って発生し、『マグネットカップリングポンプ』では渦電流により発生する熱が直接低温液化ガスを加熱することとなり、低温液化ガスを気化させてロスが多くなってしまう。
【0012】
また、従来のサブマージドポンプでは、モータも低温液化ガス中に浸漬させるため、一般的なモータに使用される鉄材ではなく、低温脆性を起こさないステンレスなどの材料を使用したモータを使用せねばならず、モータが高価となる。
【0013】
低温液化ガスをポンプで移送するためには、低温液化ガスが入る部分を予め液温付近まで冷やしておく「予冷」を行う必要がある。これは、ポンプ運転中に低温液化ガスがポンプ内部で気化することを防止し、NPSHと呼ばれるポンプの吸込揚程を低くするためである。この予冷が不足していると、ポンプ内部で低温液化ガスが気化してキャビテーションを起こしやすくなり、ポンプを破損させることがある。したがって、予冷は低温液化ガスポンプを運転するためには必要な準備作業である。
【0014】
上記予冷は、移送する低温液化ガスを運転前にポンプ内部に導くことによって行われるが、低温液化ガスに接触する全部分の予冷が完了する時間は、予冷が必要な部分の質量に大きく影響される。従来のシールレスポンプは、インペラだけでなくモータや軸受けまで予冷が必要で、低温液化ガス中に浸漬される部分の質量が大きくなるため、予冷で気化する低温液化ガスのロスが多くなるうえ、予冷に要する時間も長くなる。
【0015】
一方、軸シールポンプは、モータの予冷が不要な分、予冷が必要な部分の質量が小さいため、ロスも少なく比較的早く予冷ができる。しかし、横型の軸シールポンプでは、予冷し過ぎてしまうとポンプシャフトを伝ってモータ内部まで温度低下が起こり、しばしばモータの使用周囲条件(−20〜−30℃)以下の温度まで軸受けを冷やし過ぎて、軸受けを劣化または破損させることがある。
【0016】
ポンプを設置する設備との関係面では、サブマージドポンプの場合は、竪型で使用するため、最低でも「ポンプ部+モータ部の高さ」以上の吸込側タンクの液面高さが必要である。これはモータを自液(液化ガス)で冷却するとともに、軸受けの冷却・潤滑剤として自液(液化ガス)を使用するためである。ところが、特にタンクローリでは、タンクを横置きに設置するため、吸込側タンクの液面高さをそれほど高く設定することが出来ず、サブマージドポンプの適用は実質的に困難である。地上設置型のタンクでも、サブマージドポンプは他のポンプと比べてポンプで移注できる液量が減ってしまい、非効率である。
【0017】
従来の個々のポンプにおける課題をまとめると以下のようになる。
【0018】
(1)軸シールポンプ
固定部と回転部で摺動させながらシールをする軸シールを有するため、それが摩耗により消耗する。摩耗で寿命が来ると、軸シール部から低温液化ガスが漏れる。
一般的な軸シールポンプの場合、ポンプシャフトの大気開放部が短く、ポンプ部を冷却し過ぎるとポンプシャフトの伝熱によりモータなどの軸受けをモータの使用周囲条件以下まで冷却し、軸受けを劣化または破損することがある。
その防止対策としてポンプシャフトに常温程度のガスや水を掛けたり、モータ軸受け部付近にヒータなどを取り付けて加温することがある。
【0019】
(2)サブマージドポンプ
軸受けが低温液化ガス中にあるため、一般的な潤滑剤であるグリースが使用温度範囲から外れて使用できない。また、使用できる潤滑剤があったとしても、移送される低温液化ガス中に軸受けが浸漬されて回転することから、潤滑剤が低温液化ガス中に流入して不純物となる。そのため、セラミックボール軸受け、ステンレス軸受けなどをベースとした低温液化ガスで潤滑させる軸受けや、固体潤滑剤を使用した高価な軸受けが必要となる。
モータ部まで全て低温液化ガス中とする必要があるため、一般的なモータに使用される鉄材ではなく、ステンレスなど低温脆性を起こさない高価な材料を使用する必要があり、コストアップとなる。
モータ部まで全て低温液化ガス中とする必要があるため、吸込側タンクの液面高さをポンプ部+モータ部以上に高くする必要がある。
モータ部まで全て低温液化ガス中とする必要があるため、予冷を要する構成部材の質量が多く、予冷時間が長くなり、低温液化ガスの気化ロス量が多い。
運転中のモータおよび軸受けからの発熱が低温液化ガスに直接吸収されるため、運転中も低温液化ガスの気化ロス量が多い。
モータ部の耐圧壁も低温となるため、アルミニウムやステンレスなどの低温に対応する高価な材料とする必要があり、コストアップとなる。
【0020】
(3)マグネットカップリング駆動シールレスポンプ
軸受けが低温液化ガス中にあるため、一般的な潤滑剤であるグリースが使用温度範囲から外れて使用できない。また、使用できる潤滑剤があったとしても、移送される低温液化ガス中に軸受けが浸漬されて回転することから、潤滑剤が低温液化ガス中に流入して不純物となる。そのため、セラミックボール軸受け、ステンレス軸受けなどをベースとした低温液化ガスで潤滑させる軸受けや、固体潤滑剤を使用した高価な軸受けが必要となる。
マグネットカップリング間にある耐圧隔壁が低温液化ガスと接触するため、ステンレスなどの低温液化ガスに使用できる金属材料が使用される。しかしその金属耐圧隔壁を挟んでマグネットが回転するため耐圧隔壁で渦電流が発生し、発熱および動力ロスが発生する。
マグネットカップリング部まで低温液化ガス中とする必要があるため、予冷を要する構成部材の質量が多く、予冷時間が長くなり、低温液化ガスの気化ロス量が多い。
運転中、渦電流による発熱および軸受けからの発熱が低温液化ガスに直接吸収されるため、運転中も低温液化ガスの気化ロス量が多い。
【0021】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、シールレスポンプでありながら予冷時間を短縮でき、低温液化ガスのロスも少ないためポンプ効率もよく、運転に必要な最低の液面高さも低く、コスト的にも有利な低温液化ガス用ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0022】
上記目的を達成するため、本発明の低温液化ガス用ポンプは、
モータによってインペラが回転駆動されることにより、低温液化ガスに圧力差を与えてポンプ移送する低温液化ガス用ポンプであって、
上記モータとインペラは、それらの間で回転駆動を伝達する回転伝達手段で連結され、 上記モータとインペラは、モータが上側にインペラが下側になるよう配置され、
上記モータおよびインペラがそれぞれ、互いに連通して低温液化ガスが導入される密閉空間内に存在し、
上記密閉空間は、それぞれ密閉空間の一部をなす、モータ用空間、インペラ用空間および回転伝達手段用空間を備えて構成され、
上記モータ用空間は低温液化ガスの液面より上側に、上記インペラ用空間は低温液化ガスの液面より下側に配置され、
上記モータとインペラの間には、上記回転伝達手段用空間と、その内部に存在する回転伝達手段の一部と、上記回転伝達手段用空間を形成するための熱調整ハウジングに熱を付与するための熱付与手段とを含んで構成されることにより、低温液化ガスの液相内にインペラを存在させるよう保つとともに、低温液化ガスの気相内にモータを存在させるよう保つための熱調整部が設けられ、
上記モータが存在するモータ用空間は、密閉された密閉空間であり、耐圧の圧力密閉空間に形成されてい
ことを要旨とする。
【発明の効果】
【0023】
本発明の低温液化ガス用ポンプは、モータとインペラの間に熱調整部が設けられていることから、インペラは低温液化ガスの液相内に保たれ、モータは低温液化ガスの気相内に保たれる。このため、モータを液中に浸漬せずにすみ、予冷時間を大幅に短縮できてそれに伴う低温液化ガスの気化ロス量を低減できるうえ、モータ自体を比較的安価な材料で構成することができ、コスト的に有利である。また、モータの発熱が低温液化ガスに直接作用しないため、運転中の低温液化ガスの気化ロス量が大幅に減少するため、ポンプ効率がよくなる。また。従来摩耗が問題となっていた軸シールや、渦電流が問題となっていたマグネットカップリングを使用しないため、これらの問題が発生することもない。さらに、モータは気相に保たれるため、吸込側タンクの液面高さはインペラ部の高さを確保すればよく、モータ部の高さを考慮しなくてよくなるため、運転に必要な最低の液面高さを低くできる。
【0024】
また、上記密閉空間は、それぞれ密閉空間の一部をなす、モータ用空間、インペラ用空間および回転伝達手段用空間を備えて構成され、
上記モータ用空間は低温液化ガスの液面より上側に、上記インペラ用空間は低温液化ガスの液面より下側に配置され、
上記モータとインペラの間には、上記回転伝達手段用空間と、その内部に存在する回転伝達手段の一部と、上記回転伝達手段用空間を形成するための熱調整ハウジングに熱を付与するための熱付与手段とを含んで構成されることにより、低温液化ガスの液相内にインペラを存在させるよう保つとともに、低温液化ガスの気相内にモータを存在させるよう保つための熱調整部が設けられている。
このため、モータからインペラに対して回転を伝達するために必要な構造を利用して熱調整部を構成したことにより、構造的な無駄がなく、コストアップを避けながら、確実にモータを気相内に存在させ、確実にインペラを液相内に存在させることができる。また、上記熱付与手段の上側にモータが配置され、熱付与手段の下側にインペラが配置されることとなり、確実にモータを気相内に存在させ、確実にインペラを液相内に存在させることができる。
しかも、上記モータが存在するモータ用空間は、密閉された密閉空間であり、耐圧の圧力密閉空間に形成されている。
このため、ポンプの内部に引き込まれた低温液化ガスは、インペラによって動力が与えられて排出される。このとき、耐圧の密閉空間で行き止まりとなっているモータの方には入って行かない。冷気は下がり暖気は上がる性質と、低温の液化ガスがモータの方に入らないことから、例えば、下部インペラを含むポンプ構造部が低温部、中間の熱調整部が低温〜常温、上部のモータ部が常温と分けることができる。
【0026】
本発明において、上記回転伝達手段は、モータの回転軸とインペラの回転軸の双方に対して同軸状の1または2以上のシャフトを含んで構成されている場合には、
モータからインペラに対して回転を伝達するための構造をできる限り単純化しながら、確実な熱調整を行い、構造的な無駄を生じることなく、確実にモータを気相内に存在させ、確実にインペラを液相内に存在させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
図1】本発明の第1実施形態の低温液化ガス用ポンプの全体構成を示す図である。
図2】第2実施形態の低温液化ガス用ポンプの全体構成を示す図である。
図3】第3実施形態の低温液化ガス用ポンプの全体構成を示す図である。
図4】試験方法のイメージを示す図である。
図5】直径10mmSUS304丸棒の表面温度の変化を示す図である。
図6】直径20mmSUS304丸棒の表面温度の変化を示す図である。
図7】直径30mmSUS304丸棒の表面温度の変化を示す図である。
図8】シャフト径と温度安定時の温度分布を示す図である。
図9】シャフト径の違いによる伝熱温度分布(理論計算値)を示す図。
図10】熱調整ハウジング板厚の違いによる伝熱温度分布(理論計算値)を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0029】
つぎに、本発明を実施するための形態を説明する。
【0030】
図1は、本発明の低温液化ガス用ポンプの第1実施形態を示す概略図である。
【0031】
この装置は、モータ1によってインペラ2が回転駆動されることにより、低温液化ガスに圧力差を与えてポンプ移送する低温液化ガス用ポンプである。
【0032】
上記モータ1としては、例えば、直流モータ、三相誘導モータなど一般的なモータをベースとして製作することができる。その他にPMモータ(永久磁石モータ)を使用することによりエネルギー効率のよいポンプとすることができる。
【0033】
そして、上記モータ1は、外壁が耐圧壁4a,4bで囲われ、耐圧壁4a,4bの内側がモータ1が収容されるモータ用空間5に形成される。上記耐圧壁4a,4bおよびモータ1を含んでモータ部20が形成されている。
【0034】
上記インペラ2は、低温液化ガスを導入する導入流路6に連通するボリュートハウジング7内に配置されて回転駆動される。インペラ2がボリュートハウジング7内で回転することにより、導入流路6から導入された低温液化ガスに遠心力によって圧力差を与え、ボリュートハウジング7の外周部に設けられた吐出部8から吐出する。上記ボリュートハウジング7内の空間が、インペラ2が収容されるインペラ用空間9に形成される。図において符号10は、低温液化ガスの流動を助けるインデューサ10である。上記インペラ2、ボリュートハウジング7、インデューサ10を含んでポンプ部19が形成されている。
【0035】
上記モータ1とインペラ2は、それらの間で回転駆動を伝達する回転伝達手段で連結されている。回転伝達手段としては、この例では、モータ1の回転軸とインペラ2の回転軸の双方に対して同軸状で共通の1本のシャフト3が使用されている。なお、上記シャフト3は、モータ1とインペラ2に共通の1本のものに限らず、モータ1用シャフトとインペラ2用シャフトを別々のものにし、両者をカップリング等で連結したものを用いることもできる。
【0036】
上記モータ1とインペラ2の間は、ある程度の間隙が確保され、上記シャフト3の上記間隙を通過する部分は、熱調整ハウジング12で覆われている。上記熱調整ハウジング12の内側がシャフト3の一部が収容されるシャフト用空間13に形成される。
【0037】
上記モータ1およびインペラ2ならびにシャフト3はそれぞれ、互いに連通して低温液化ガスが導入される密閉空間14内に存在する。上記密閉空間14は、この例では、それぞれ上記密閉空間14の一部をなす、モータ用空間5、インペラ用空間9および回転伝達手段用空間としてのシャフト用空間13を備えて構成されている。モータ用空間5とインペラ用空間9ならびにシャフト用空間13は互いに連通している。すなわち、ボリュートハウジング7、熱調整ハウジング12およびモータ1の耐圧壁4a,4bにより1つの圧力密閉空間を作っている。
【0038】
上記モータ1とインペラ2は、モータ1が上側にインペラ2が下側になるよう配置されている。
【0039】
そして、上記モータ1とインペラ2の間は、低温液化ガスの液相内にインペラ2を存在させるよう保つとともに、低温液化ガスの気相内にモータ1を存在させるよう保つための熱調整部11に形成されている。
【0040】
上記熱調整部11は、上記シャフト用空間13と、その内部に存在するシャフト3の一部とを含んで構成されている。さらに、上記熱調整部11は、上記シャフト用空間13を形成するための熱調整ハウジング12と、上記熱調整ハウジング12に熱を付与するための熱付与手段としてのフィン15をさらに含んで構成されている。
【0041】
このように、モータ1とインペラ2の間に形成された間隙の部分に、熱調整部11が設けられ、下側からインペラ2、熱調整部11、モータ1の順に配置されている。このようにすることにより、冷気は下がり暖気は上がる性質により、ポンプの構造配置である下部のインペラ2を低温部とし、中間の熱調整部11を低温〜常温とし、上部のモータ1を常温と、温度範囲を分けるのに有利となる。
【0042】
上記シャフト3は、上記密閉空間14内の気相に存在させた軸受け16で軸支されている。このように、軸受け16はモータ1の軸受けをポンプ軸受けと共用し、ポンプシャフトとモータシャフトを1本のシャフト3で共用している。
【0043】
上記モータ1の上部には、モータ1と連動して回転する冷却ファン17が配置され、モータ1の冷却が行われる。図において符号18は、ファンカバー18である。
【0044】
このような構造により、低温液化ガスは、図面最下部のインデューサ10部分よりポンプの内部に引き込まれ、インペラ2によって動力が与えられ、吐出部8から排出される。ポンプの内部に入った低温液化ガスは、吐出部しか出口がなく、密閉空間14で行き止まりとなっているモータ1の方には入って行かない。
【0045】
このように、熱の自然対流のように冷気は下がり暖気は上がる性質と、低温の液化ガスがモータ1の方に入らないことから、例えば、下部インペラ2を含むポンプ構造部が低温部、中間の熱調整部11が低温〜常温、上部のモータ1部が常温と分けることができるのである。
【0046】
このようにすることにより、インペラ2を収容するインペラ用空間9内は、導入流路6から導入されて吐出部8に向かって流れる低温液化ガスで満たされる。例えば−150℃以下に保たれ、液相の状態が維持される。一方、モータ1を収容するモータ用空間5内は、常温に近い温度、例えば−20℃以上に保たれる。これにより、低温液化ガスが気化したガスで満たされ、気相の状態が維持される。シャフト用空間13内は、モータ用空間5の温度とインペラ用空間9の温度の中間で、温度勾配が形成される。
【0047】
液相で満たされる部分は、導入流路6からポンプ部19までである。具体的には、ボリュートハウジング7、熱調整ハウジング12の底部、インペラ2、シャフト3の一部、インデューサ10などの最低必要部品のみとなる。ポンプ部19を下部に配置し、液相で満たされる部分をポンプ部19までとすることにより、ポンプ内の液面高さを低くし、吐出部8の高さまでとすることができる。
【0048】
上記熱調整部11が形成されるモータ1とインペラ2の間隙は、上述したように、モータ1を気相中に保つとともに、インペラ2を液相中に保つことができるように設定される。例えば、シャフト3の径、熱調整ハウジング12の肉厚、それぞれ材質等の要因により、適宜設定される。
【0049】
例えば、材質をSUS304、雰囲気温度が20℃、低温液化ガスを液体窒素とし、モータ部20の温度を5℃以上とする場合、シャフト3の径が30mmであれば、熱調整部11の距離は300mm以上、その際の熱調整ハウジング11の肉厚は15mm以下とすることができる。
【0050】
熱調整部11の適切な長さは、熱調整部11に対応するシャフト3の長さと、熱調整ハウジング12の長さを適切に設定する。理論計算および試験により、モータ部20入口が適当な設定温度となる長さ、シャフト3の径、熱調整ハウジング12の板厚等を求めることができる。
【0051】
このように、本実施形態は、従来の軸シールを無くすために、モータ部20とポンプ部19の内部を互いに連通する密閉空間14とし、シャフト3を大気へ貫通させない構造とする。そのためにモータ部20の外壁は耐圧壁4a,4bとしている。
【0052】
また、ポンプを竪型に配置し、切な熱調整部11で液相部と気相部に分けることにより、モータ1内の軸受け16を常温(ここでいう常温とは、一般的なモータの使用環境温度であり、−20〜40℃程度である)とする。これにより、軸受け16を低温液化ガスと直接接触させない構造とする。このため、一般的なグリースを潤滑剤として使用する鉄製の安価な軸受けなどが使用できる。
【0053】
また、モータ部20を低温液化ガスに直接接触させない構造とし、一般的で安価な鉄材を使用できる。モータ部20の発熱は、モータ1と連動する冷却ファン17により冷却する構造とする。さらに、モータ部20の外壁を耐圧壁4a,4bとすることにより、渦電流の発生源となる駆動マグネット間に金属隔壁を持つ構造としない。
【0054】
そして、ポンプ部19のみを低温の液相部とし、低温液化ガスが接触する構成部材の質量を可能な限り減らした構造とする。具体的な主要部材では、ボリュートハウジング7、熱調整ハウジング12の底部、インデューサ10、インペラ2およびシャフト3の先端のみが低温液化ガスと接触する。
【0055】
ポンプを竪型に配置し、適切な熱調整部11によって低温の液相部と常温の気相部に分けることにより、モータ1内の軸受け16にポンプ冷却による影響が及ばない構造とした。
【0056】
また、ポンプ内に入る低温液化ガス部の液面高さを吐出部8の高さまでとなる低い構造とした。また、モータ1の外壁を耐圧壁構造とするため、設計圧力に耐えうる必要肉厚以上、すなわち、高圧ガス保安法に基づく規定最小肉厚以上とした。さらに、シャフト3はモータ1とインペラ2で同一シャフトとし、モータ1内の軸受け16のみで支持する構造とした。
【0057】
具体的には、モータ部20の耐圧壁4a,4b、ボリュートハウジング7、熱調整ハウジング12のそれぞれの接合部には、ガスケット、O−リングなどのシール材を使用し、フランジなどをボルトで締め込むか、またはねじ構造として締め込むことにより密閉構造としている。
【0058】
以上のように、本実施形態の低温液化ガス用ポンプによれば、つぎのような効果を奏する。
【0059】
ポンプ部19の内部、熱調整部11の内部、モータ部20の内部がお互いに連通する密閉空間14となったことにより、大気とのシャフト貫通部がなくなり、軸シールが不要となる。
竪型に上部からモータ部20、適切な熱調整部11、ポンプ部19を配置したことにより、モータ部20および軸受け16を例えば常温とすることができ、モータ1の材質、軸受け16の材質に、例えば鉄鋼等の一般的なものが使用できるようになる。また、軸受け16の潤滑剤も例えばグリース等の一般的なものも使用できるようになる。
竪型に上部からモータ部20、適切な熱調整部11、ポンプ部19を配置したことにより、モータ部20および軸受け16を例えば常温とすることができ、これらから発生する熱を直接低温液化ガスに吸収されないようになり、ロスとなる気化ガス量を減らすことができる。
竪型に上部からモータ部20、適切な熱調整部11、ポンプ部19を配置したことおよびモータ部20を密閉としたことにより、ポンプ内の低温液化ガスが入る液面高さが吐出部8高さまでとなり、ポンプ部19のみ低温の液相部とすることができ、低温液化ガスと接触するポンプ主要構成部材がボリュートハウジング7、熱調整ハウジング12の底部、インデューサ10、インペラ2およびシャフト3先端部と少なくなり、ポンプ予冷時に発生する気化ガスロスを減らせると共に、予冷時間を短縮することができる。また、低温液化ガスの入る液面高さを低くできることにより、吸込側タンクの液面高さ下限を低くすることができる。
適切な熱調整部11を設けることによりポンプ部19は低温の液相内に存在させ、モータ部20は例えば常温の気相内に存在させることができる。
【0060】
図2は、本発明の第2実施形態を示す。
【0061】
この例は、モータ部20として、耐圧壁4a,4bを有しないものとした例である。すなわち、モータ1は、耐圧構造でない外壁21a,21bに覆われてモータ部20が構成され、モータ部20の外側を、別の圧力壁22a,22bで覆ったものである。それ以外は、上記第1実施形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この例でも、上記第1実施形態と同様の作用効果を奏する。
【0062】
図3は、本発明の第3実施形態を示す。
【0063】
この例は、マグネットカップリングを用いてモータ部20の外部のファン24を駆動させ、モータ1を冷却するようにしたものである。すなわち、シャフト3のモータ1側を耐圧壁4bより外側に貫通させ、突出した部分にインナーマグネット25を取り付ける。このインナーマグネット25の周囲を耐圧カバー26で密閉状に覆い、その外側にアウターマグネット27を備えたファン24を配置する。それ以外は、上記第1実施形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この例でも、上記第1実施形態と同様の作用効果を奏する。
【0064】
なお、モータ1の冷却は、別置きのモータ連動冷却ファンを用いたり、別設置の冷却ファンを使用したり、水冷による冷却を適用したりすることもできる。
【0065】
上記各実施形態では、熱調整部11またはモータ部20をヒータなどで加温することにより、熱調整部11の長さを短くすることもできる。また、熱伝導率の低い材料を全部または部分的に使用することにより、熱調整部11の長さを短くすることができる。これらの場合も同様の作用効果を奏する。
【0066】
上記各実施形態では、回転伝達手段としては、1本もしくは2本のシャフトを用いる例を説明したが、これに限定するものではなく、モータ1の回転をインペラ2に伝達しうるものであれば、他の手段を用いることもできる。例えば、モータ1用シャフトと、インペラ2用シャフトとの間をギヤ、チェーン、ベルト等を用いて連結して回転を伝達するようにしてもよい。
【0067】
つぎに、熱調整部11の適切な長さ(距離)について検討した。
【0068】
熱調整部11の適切な長さは、熱調整部11に対応するシャフト3の長さと、熱調整ハウジング12の長さを適切に設定する。理論計算および試験により、モータ部20入口が適当な設定温度となる長さ、シャフト3の径、熱調整ハウジング12の板厚等を求めることができる。
【0069】
低温の液相部と常温の気相部を分けるために適切な熱調整部11の長さ決定のため、シャフト3の温度分布試験を行った。この結果、下記に詳細を述べるように、下記の表1に示すよう、−30〜10℃の範囲で、シャフト3の径に対して液体窒素液面からの必要な距離が求められた。
【0070】
シャフト3の先端が液体窒素に浸漬された状態の時のシャフト径と伝熱による温度変化およびシャフト3の径と温度安定時の温度分布を調べた。
【0071】
(試験条件)
ポンプシャフト:同じ材質のSUS304の丸棒を使用した。
シャフト径:直径10,20,30mmのものを使用した。
雰囲気温度:室温(20〜22℃)
雰囲気環境:自然対流状態
外気温度:20℃
(測定機器)
温度測定および記録:ポータブルマルチロガー ZR−RX40(オムロン製)
熱電対:Kタイプ熱電対
【0072】
(試験方法)
図4は、試験方法のイメージを示す図である。
(1)φ10、20および30mmのSUS304丸棒の下部先端から、0.15、0.20、0.25、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55および0.60mの位置に熱伝対を貼り付ける。
(2)SUS304丸棒の先端から0.10mまで液体窒素に浸漬させ、常に液体窒素の液面が先端から0.10mの位置となるように液体窒素を補充する。
(3)液化窒素浸漬直後より温度を計測し、記録した。計測位置は液体窒素液面から50mm間隔で50mm〜500mmの位置とした。
【0073】
(測定結果)
図5は、直径10mm−SUS304丸棒の表面温度の変化(液面から各距離)を示す。
図6は、直径20mm−SUS304丸棒の表面温度の変化(液面から各距離)を示す。
図7は、直径30mm−SUS304丸棒の表面温度の変化(液面から各距離)を示す。
【0074】
(シャフト径と伝熱による温度変化まとめ)
直径10mmのSUS304丸棒の場合、試験開始後40分程度で温度変化が安定した。
直径20mmのSUS304丸棒の場合、試験開始後100分程度で温度変化が安定した。
直径30mmのSUS304丸棒の場合、試験開始後150分程度で温度変化が安定した。
【0075】
図8は、シャフト径と温度安定時の温度分布を示す図である。
試験結果より、全てのシャフト径における温度安定時間をやや余裕を持って試験開始後170分として温度安定時の温度分布をグラフ化した。
表1は、各シャフト径の安定温度と液体窒素液面からの距離をグラフから読み取り、まとめたものである。
【表1】
【0076】
つぎに、シャフトおよび熱調整ハウジング12の温度分布について、理論計算でも検討を行なった。
【0077】
まず、ポンプシャフト温度分布を計算した。
【0078】
(1)自然対流による表面熱伝達率を計算した(JIS A 9501 2001 5.3.3(2)垂直平面及び管の計算式参照)
【0079】
<式>
hcv=2.56×Δθ^0.25×{(ω+0.3438)/0.348}^0.5
hcv:対流による表面熱伝達率(W/(m・K))
Δθ:温度差(K)(液化窒素温度77K、室温293Kとして計算)
ω:風速(m/s)(自然対流の場合0m/sとして計算)
<計算>
hcv=2.56×(293−77^0.25×{(0+0.3438)/0.348}^0.5
=9.814(W/(m・K))
【0080】
(2)簡易温度分布計算
(1)で得られた結果を用いて簡易温度分布を計算(吉田駿著,伝熱学の基礎,株式会社理工学社,p.36〜39,(1999))
<仮定>
・温度は軸に直角な断面上では一様である。
・表面から周囲流体(温度Tb)への熱伝達率α(上記計算値のhcv)は全面にわたって一様である。
・断面積Aも周長Sも軸方向に一定である。
・熱伝導率λは一定である。
<計算条件>
全長 H=0.5m
液化窒素温度 T0=77K
室温 Tb=293K
熱伝達率 α=9.814((1)計算値)
シャフト径 φ=30mm(材質SUS304)
シャフト周長 S=0.0942m
シャフト断面積 A=7.065×10−4
SUS304熱伝導率(室温,293K) λ=15.9W/(m・K)
(日本熱物性学会編:新偏熱物性ハンドブック,株式会社養賢堂,p.213,(2008))
<計算>
(xは液面から温度計測点までの距離(m)、その点の温度をTとする)
m=((α×S)/(λ×A))^0.5 m−1…(式2・73より)
温度分布Θ=(e^(m(H−x))+e^(−m(H−x)/(e^(mH)+e^(−mH))…(式2・79より)
Θ=(T−Tb)/(T0−Tb)…(式2・72より)
上記式を解き、簡易の温度分布を求めた。
<計算結果>
【表2】
【0081】
(3)簡易温度分布における温度補正
(A)(2)の簡易温度分布で得られた温度時のそれぞれの計算点における放射による表面熱伝達率を求め、(1)の計算値と合わせて表面熱伝達率とする(JIS A 9501 2001 5.3.3(1)参照)。
hr=ar×Cr(W/(mK))
ar=((Tse)−(Ta))/(Tse−Ta) (K
Cr=ε・σ (W/(m・K))
hr:放射による表面熱伝達率(W/(mK)
Tse:(2)の計算で得られたそれぞれの距離における温度(K)
Ta:室温(293K)
ε:0.30(ステンレス鋼板の数値を使用)
σ:ステファン・ボルツマン定数 5.67×10^−8(W/(m^2・K^4)
表面熱伝達率(hse)(JIS A 9501 2001 5.3.3参照)
hse=hr+hcv
hcv:(1)の計算値
<計算結果>
【表3】
【0082】
(B)(2)の簡易温度分布で得られた温度時のそれぞれの計算点における熱伝導率を求める。
各温度におけるSUSの熱伝導率は、信貴豊一郎監修:低温工学ハンドブック、株式会社内田老鶴圃新社、p.197、(1982)に記載のT>1Kにおける各種物質の熱伝導率のグラフから60K、100Kにおける熱伝導率を読取り、(2)の計算で使用した293Kの熱伝導率にて60K−100K間の近似一次関数式、100K−293K間の近似一次関数式を導き、それぞれの計算点における熱伝導率とした。
<計算結果>(それぞれの点xにおける温度Tの熱伝導率をλ2とする)
【表4】
【0083】
上記(A)の計算値をα、(B)の計算値をλとして(2)の計算を再度実施し、計算による温度分布値とした。
<計算条件>
全長 H=0.5m
液化窒素温度 T0=77K
室温 Tb=293K
表面熱伝達率 α=(A)で求めたhseの値
シャフト径 φ=30mm(材質SUS304)
シャフト周長 S=0.0942m
シャフト断面積 A=7.065×10−4
SUS304熱伝導率 λ=(B)の計算で求めたλ2の値W/(m・K)

<計算>
(xは液面から温度計測点までの距離(m)、その点の温度をT2とする)
m=((α×S)/(λ×A)^0.5 m−1…(式2・73より)
温度分布Θ2=(e^(m(H−x))+e^(−m(H−x)/(e^(mH)+e^(−mH))…(式2・79より)
Θ2=(T−Tb)/(T0−Tb)…(式2・72より)
上記式を解き、温度分布を求めた。
<計算結果>
【表5】
【0084】
(4)ポンプシャフト径をφ10mm、20mmに対しても同様に(1)〜(3)の計算を行うと図9のような結果が得られ、代表的に温度と液体窒素液面からの距離の数値を読み取ると表6のようになる。
<計算結果>
【表6】
【0085】
(熱調整ハウジング温度分布の計算)
ポンプシャフトと同様の考えで熱調整ハウジング(材質SUS304)の板厚の違いによる温度分布を求めると図10のようになる(上記計算(1)〜(4)にて計算)。なお、熱調整ハウジングの内径は100mmとして計算した。
【0086】
これらの試験および理論計算の結果からわかる通り、実測値、理論値とも同様の結果形態を示している。これらに従ってシャフトと熱調整ハウジングの設計を行なえば、本発明は十分に実施可能であることがわかる。
【符号の説明】
【0087】
1:モータ
2:インペラ
3:シャフト
4a:耐圧壁
4b:耐圧壁
5:モータ用空間
6:導入流路
7:ボリュートハウジング
8:吐出部
9:インペラ用空間
10:インデューサ
11:熱調整部
12:熱調整ハウジング
13:シャフト用空間
14:密閉空間
15:フィン
16:軸受け
17:冷却ファン
18:ファンカバー
19:ポンプ部
20:モータ部
21a:外壁
21b:外壁
22a:圧力壁
22b:圧力壁
24:ファン
25:インナーマグネット
26:耐圧カバー
27:アウターマグネット
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10