特開 2024-6181 ポンプ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024006181

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【発明の名称】ポンプ装置

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/42 20060101AFI20240110BHJP

   F04D 7/02 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

F04D29/42 F

F04D7/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022106837

(22)【出願日】2022-07-01

(71)【出願人】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100091498

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(74)【代理人】

【識別番号】100174089

【弁理士】

【氏名又は名称】郷戸 学

(74)【代理人】

【識別番号】100186749

【弁理士】

【氏名又は名称】金沢 充博

(72)【発明者】

【氏名】中村 陽一

(72)【発明者】

【氏名】真武 幸三

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA06

3H130AA23

3H130AB12

3H130BA22A

3H130BA22G

3H130BA23A

3H130BA23G

3H130BA33A

3H130BA33G

3H130BA53A

3H130CA21

3H130DD01Z

3H130EA02A

3H130EA02G

3H130EA06A

3H130EA06G

3H130EA07A

3H130EA07G

3H130EA08A

3H130EA08G

3H130EB01A

3H130EB01G

3H130EC02A

3H130EC14A

(57)【要約】

【課題】液化ガスを漏洩させることなく、電動機を効率よく冷却することができる液化ガス用のポンプ装置を提供する。
【解決手段】ポンプ装置は、羽根車２を有するポンプ１と、羽根車２が固定された回転軸５と、回転軸５および羽根車２を回転させるための電動機７と、電動機７の両側に配置されたポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２を備える。モータハウジング２３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されており、モータハウジング２３の両端は、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２に支持されており、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２の線膨張係数は、モータハウジング２３の線膨張係数よりも小さい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液化ガス用のポンプ装置であって、
羽根車を有するポンプと、
前記羽根車が固定された回転軸と、
前記回転軸および前記羽根車を回転させるための電動機と、
前記電動機の両側に配置されたポンプ側ブラケットおよび反ポンプ側ブラケットを備え、
前記電動機は、
前記回転軸に固定されたモータロータと、
前記モータロータを囲むコイルおよびステータコアを有するモータステータと、
前記モータステータを保持するモータハウジングを備え、
前記モータハウジングは、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されており、
前記モータハウジングの両端は、前記ポンプ側ブラケットおよび前記反ポンプ側ブラケットに支持されており、
前記ポンプ側ブラケットおよび前記反ポンプ側ブラケットの線膨張係数は、前記モータハウジングの線膨張係数よりも小さい、ポンプ装置。

【請求項2】

前記ポンプ側ブラケットおよび前記反ポンプ側ブラケットの線膨張係数は、前記ステータコアの線膨張係数よりも小さい、請求項１に記載のポンプ装置。

【請求項3】

前記ポンプ側ブラケットは、前記モータハウジングのポンプ側端部の内面を支持する嵌合部を有し、
前記反ポンプ側ブラケットは、前記モータハウジングの反ポンプ側端部の内面を支持する嵌合部を有している、請求項１に記載のポンプ装置。

【請求項4】

前記モータハウジングの内周面に接触し、前記モータハウジングを内側から支持する補強環をさらに備えている、請求項１に記載のポンプ装置。

【請求項5】

前記補強環は前記ステータコアの線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する、請求項４に記載のポンプ装置。

【請求項6】

前記補強環は、前記モータステータと前記ポンプ側ブラケットとの間に配置されている、請求項４に記載のポンプ装置。

【請求項7】

前記モータハウジングは、その内面に形成された複数の溝を有しており、
前記複数の溝は、前記回転軸の軸方向に延びている、請求項１に記載のポンプ装置。

【請求項8】

前記複数の溝は、前記ステータコアの軸方向長さよりも長い、請求項７に記載のポンプ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体を圧送するためのポンプ装置に関し、特に低温の液化ガスを圧送するためのポンプ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

液体を圧送するためのポンプ装置は、一般に、羽根車を有するポンプと、羽根車を回転させるための電動機を備えている。電動機は、ポンプ装置の運転に伴って発熱するため、電動機を冷却することが必要とされる。従来、電動機は、その回転軸に連結された冷却ファンにより冷却されている。冷却ファンは、電動機に隣接して配置され、羽根車と一体に回転することで、電動機の外部から空気を取り込み、電動機に空気を吹き付けることで、電動機を冷却する。

【0003】

近年、二酸化炭素削減のため、液体水素、液化天然ガス等の極低温液を輸送するためのポンプ装置の需要が増える傾向にある。また、ロケットエンジンに極低温の液体酸素を供給するために、ポンプ装置が使用される。液体水素、液化天然ガス、液体酸素、液体窒素、液体アンモニアなどの極低温の液化ガスを取り扱うポンプ装置は、ポンプ装置外への液化ガスの漏洩を防ぐことが求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平２－９９８４号公報

【特許文献2】特開２００９－１９１７３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の冷却ファン式ポンプ装置は、外部の空気を電動機内に取り込むための通気口があるため、この通気口からポンプ装置の外部に液化ガスが漏洩するおそれがある。すなわち、羽根車の回転によって昇圧された液化ガスの一部は、メカニカルシールなどの軸封装置を通過して電動機内に移動し、さらに通気口を通って電動機の外部に漏洩してしまう。

【0006】

そこで、本発明は、液化ガスを漏洩させることなく、電動機を効率よく冷却することができる液化ガス用のポンプ装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一態様では、液化ガス用のポンプ装置であって、羽根車を有するポンプと、前記羽根車が固定された回転軸と、前記回転軸および前記羽根車を回転させるための電動機と、前記電動機の両側に配置されたポンプ側ブラケットおよび反ポンプ側ブラケットを備え、前記電動機は、前記回転軸に固定されたモータロータと、前記モータロータを囲むコイルおよびステータコアを有するモータステータと、前記モータステータを保持するモータハウジングを備え、前記モータハウジングは、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されており、前記モータハウジングの両端は、前記ポンプ側ブラケットおよび前記反ポンプ側ブラケットに支持されており、前記ポンプ側ブラケットおよび前記反ポンプ側ブラケットの線膨張係数は、前記モータハウジングの線膨張係数よりも小さい、ポンプ装置が提供される。

【0008】

一態様では、前記ポンプ側ブラケットおよび前記反ポンプ側ブラケットの線膨張係数は、前記ステータコアの線膨張係数よりも小さい。
一態様では、前記ポンプ側ブラケットは、前記モータハウジングのポンプ側端部の内面を支持する嵌合部を有し、前記反ポンプ側ブラケットは、前記モータハウジングの反ポンプ側端部の内面を支持する嵌合部を有している。

【0009】

一態様では、ポンプ装置は、前記モータハウジングの内周面に接触し、前記モータハウジングを内側から支持する補強環をさらに備えている。
一態様では、前記補強環は前記ステータコアの線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する。
一態様では、前記補強環は、前記モータステータと前記ポンプ側ブラケットとの間に配置されている。

【0010】

一態様では、前記モータハウジングは、その内面に形成された複数の溝を有しており、前記複数の溝は、前記回転軸の軸方向に延びている。
一態様では、前記複数の溝は、前記ステータコアの軸方向長さよりも長い。

【発明の効果】

【0011】

ポンプ装置の運転中は、電動機（特にコイル）は熱を発する。この熱は、熱伝導率の高いアルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されたモータハウジングに伝わり、さらにポンプ側ブラケットおよびポンプを経由して低温の液化ガスに伝わる。このように、モータステータからモータハウジング、ポンプ側ブラケット、およびポンプを経由して液化ガスに伝わる熱の流れが形成されるので、冷却ファンを用いることなく、電動機を冷却することができる。また、冷却ファンが不要になるので、電動機へ空気を取り込むための通気口が不要となる。結果として、液化ガスまたはそのボイルオフガスの外部への漏洩を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】液化ガスを移送するためのポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。

【図2】ポンプ装置の他の実施形態を示す断面図である。

【図3】ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。

【図4】図３に示すモータハウジングおよびモータステータのＡ－Ａ線断面図である。

【図5】モータハウジングが冷却され、収縮したときの状態を説明する図である。

【図6】ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。

【図7】ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、液化ガスを移送するためのポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。液化ガスの具体例としては、液体水素、液化天然ガス、液体酸素、液体窒素、液体アンモニアなどが挙げられる。液化ガスは、０℃よりも低い沸点を有する低温の液体である。したがって、本実施形態のポンプ装置は、常温より低い温度の液体を取り扱うポンプ装置である。

【0014】

図１に示すように、ポンプ装置は、羽根車２を有するポンプ１と、羽根車２が固定された回転軸５と、回転軸５および羽根車２を回転させるための電動機７と、電動機７の両側に配置されたポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２を備えている。ポンプ１は、羽根車２が内部に収容される羽根車ケーシング１５を備えている。羽根車ケーシング１５は、液化ガスの吸込み口１６および吐出し口（図示せず）を有している。羽根車２の液体入口２ａは、吸込み口１６を向いている。羽根車ケーシング１５の材料の例としては、鉄、鋳鉄、ステンレス鋼、ニッケル合金などが挙げられる。

【0015】

電動機７は、回転軸５に固定されたモータロータ２１と、モータロータ２１を囲むモータステータ２２と、モータステータ２２を保持するモータハウジング２３を備えている。モータロータ２１およびモータステータ２２は、モータハウジング２３内に収容されている。モータステータ２２は、モータロータ２１を囲むように配置された複数のコイル２６と、これらコイル２６を保持するステータコア２７を有する。モータステータ２２は、モータハウジング２３の内面に面接触している。

【0016】

ポンプ側ブラケット１１は、ポンプ１と電動機７との間に挟まれており、羽根車ケーシング１５とモータハウジング２３の両方に接触している。反ポンプ側ブラケット１２は、電動機７を挟んでポンプ側ブラケット１１とは反対側に位置している。ポンプ装置は、回転軸５を回転可能に支持する軸受３１，３２を備えている。軸受３１，３２は、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２にそれぞれ支持されている。

【0017】

モータハウジング２３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されている。モータハウジング２３の両端は、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２に保持されている。より具体的には、ポンプ側ブラケット１１は、モータハウジング２３のポンプ側端部２３Ａの内面を支持する嵌合部３５を有し、反ポンプ側ブラケット１２は、モータハウジング２３の反ポンプ側端部２３Ｂの内面を支持する嵌合部３６を有している。ポンプ側ブラケット１１の嵌合部３５は、モータハウジング２３のポンプ側端部２３Ａの内面に嵌合し、ポンプ側端部２３Ａの内面と面接触する。反ポンプ側ブラケット１２の嵌合部３６は、モータハウジング２３の反ポンプ側端部２３Ｂの内面に嵌合し、反ポンプ側端部２３Ｂの内面と面接触する。このような構造により、モータハウジング２３の両端は、その内側からポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２により支持される。反ポンプ側ブラケット１２は、モータハウジング２３の内部と外部との流体の連通を許容しない密閉構造を有している。

【0018】

ポンプ装置は、羽根車２の裏側に配置された軸封装置４０を備えている。軸封装置４０の具体例としては、メカニカルシールが挙げられる。軸封装置４０の回転側リングは羽根車２に固定され、軸封装置４０の固定側リングは、羽根車ケーシング１５に固定されている。

【0019】

ポンプ装置の動作は次の通りである。電動機７が回転軸５および羽根車２を回転させると、液化ガスは吸込み口１６を通って羽根車ケーシング１５内に流入し、さらに液体入口２ａを通って羽根車２内に流入する。液化ガスは、羽根車２の回転に伴って昇圧され、吐出し口（図示せず）から吐き出される。羽根車ケーシング１５内の液化ガスの一部は、軸封装置４０を通過してモータハウジング２３内に移動するが、モータハウジング２３の内部空間は、流体の通過を許容しない蓋構造を持つ反ポンプ側ブラケット１２によって密閉されているので、液化ガスあるいはそのボイルオフガスが電動機７の外部に漏洩することはない。

【0020】

ポンプ装置の運転中は、電動機７（特にコイル２６）は熱を発する。この熱は、熱伝導率の高いアルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されたモータハウジング２３に伝わり、さらにポンプ側ブラケット１１および羽根車ケーシング１５を経由して低温の液化ガスに伝わる。このように、モータステータ２２からモータハウジング２３、ポンプ側ブラケット１１、および羽根車ケーシング１５を経由して液化ガスに伝わる熱の流れが形成されるので、冷却ファンを用いることなく、電動機７を冷却することができる。また、冷却ファンが不要になるので、電動機７へ空気を取り込むための通気口が不要となる。結果として、液化ガスまたはそのボイルオフガスの外部への漏洩を防止することができる。

【0021】

一般にモータハウジングに使用される鋳鉄の熱伝導率（約５０Ｗ／ｍＫ）に比べて、アルミニウムまたはアルミニウム合金の熱伝導率（約２００Ｗ／ｍＫ）は高く、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されたモータハウジング２３は、熱を効率よく伝達することができる。

【0022】

アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されたモータハウジング２３は、高い熱伝導率を有する反面、鋳鉄に比べて線膨張係数が大きい。すなわち、モータハウジング２３は冷却されたときに、収縮しやすい。ポンプ装置の運転中は、上述したように、電動機７が発熱するため、モータハウジング２３の温度が上昇し、モータハウジング２３は大きくは収縮しない。しかしながら、ポンプ装置の始動前および始動時には、モータハウジング２３の温度は液化ガスの温度近くまで低下しているため、モータハウジング２３が大きく収縮し、電磁鋼板からなるステータコア２７を圧縮し、ステータコア２７を破損するおそれがある。

【0023】

そこで、本実施形態では、モータハウジング２３によるステータコア２７の圧縮を防ぐために、モータハウジング２３の両側は、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２で支持されている。より具体的には、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２の嵌合部３５，３６は、モータハウジング２３の両側を内側から支えている。このような構成により、モータハウジング２３が冷却されたときに、モータハウジング２３がステータコア２７を圧縮することが防止できる。

【0024】

ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２は、モータハウジング２３よりも線膨張係数の小さい材料から構成されている。したがって、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２が冷却されたときに、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２は、モータハウジング２３よりも収縮しにくい。モータハウジング２３によるステータコア２７の圧縮を防止する観点から、本実施形態では、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２は、電磁鋼板から構成されたステータコア２７よりも線膨張係数の小さい材料から構成されている。

【0025】

一実施形態では、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２は、鉄から構成される。鉄の線膨張係数は、約１１×１０^－６［／℃］であり、電磁鋼板の線膨張係数は、約１３×１０^－６［／℃］であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金の線膨張係数は、約２４×１０^－６［／℃］である。

【0026】

さらに、アルミニウムまたはアルミニウム合金の比重（約２．７ｇ／ｃｍ^３）は、鋳鉄の比重（約７．３ｇ／ｃｍ^３）よりも小さいので、ポンプ装置の全体を軽量化することができる。ポンプ装置の軽量化は、ロケットの打ち上げ時に大きな推力を得ることが必要なロケットエンジンに有利である。加えて、アルミニウムまたはアルミニウム合金は、鋳鉄等の鉄鋼材料と比べて低温脆性が小さいという性質がある。

【0027】

図２は、ポンプ装置の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、ポンプ装置は、モータハウジング２３の内周面に接触する補強環５０を備えている。補強環５０は、ステータコア２７の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する。例えば、補強環５０は鉄から構成されている。

【0028】

補強環５０は、モータステータ２２とポンプ側ブラケット１１との間に配置されている。本実施形態では、補強環５０は、ポンプ側ブラケット１１に隣接している。補強環５０はモータハウジング２３の内周面に嵌合されている。したがって、補強環５０はモータハウジング２３を内側から支持することができる。

【0029】

補強環５０は、モータハウジング２３が冷却されたときのモータハウジング２３の収縮を防ぎ、ステータコア２７の破損を防止するために設けられている。ポンプ１に近いモータハウジング２３の部位は、液化ガスによって冷却されやすい。したがって、図２に示すように、補強環５０は、モータハウジング２３のポンプ１に近い部位を支持する位置、すなわちポンプ側ブラケット１１に隣接した位置に配置されている。追加の補強環を、モータステータ２２と反ポンプ側ブラケット１２との間に設けてもよい。

【0030】

図３は、ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、モータハウジング２３は、その内面に形成された複数の溝６０を有している。複数の溝６０は、回転軸５の軸方向に延びている。各溝６０は、ステータコア２７の軸方向長さよりも長い。図３に示す実施形態では、各溝６０の反ポンプ側端部は、モータハウジング２３の反ポンプ側端部２３Ｂまで延び、反ポンプ側ブラケット１２に達している。各溝６０のポンプ側端部は、モータハウジング２３のポンプ側端部２３Ａおよびポンプ側ブラケット１１には達していない。

【0031】

図４は、図３に示すモータハウジング２３およびモータステータ２２のＡ－Ａ線断面図である。図４では、図面の簡略化のために、モータロータ２１および回転軸５などいくつかの要素の図示は省略されている。図４に示すように、複数の溝６０は、回転軸５の軸心Ｏの周りに等間隔で配列されている。図４に示す実施形態では、４つの溝６０が設けられているが、２つまたは３つの溝６０でもよく、または５つ以上の溝６０が設けられてもよい。

【0032】

図５は、モータハウジング２３が冷却され、収縮したときの状態を説明する図である。図５に示すように、モータハウジング２３が収縮すると、モータハウジング２３の周方向の長さが減少し、それを補うために、各溝６０が周方向に広がる。このように、複数の溝６０は、モータハウジング２３の収縮を緩和するように変形するので、モータステータ２２の圧縮を緩和することができる。

【0033】

一実施形態では、図６に示すように、各溝６０のポンプ側端部は、モータハウジング２３のポンプ側端部２３Ａまで延び、ポンプ側ブラケット１１に達している。各溝６０の反ポンプ側端部は、モータハウジング２３の反ポンプ側端部２３Ｂおよび反ポンプ側ブラケット１２には達していない。

【0034】

図３に示す実施形態では、モータハウジング２３のポンプ側端部２３Ａには溝６０は形成されていないので、モータステータ２２で発生した熱はモータハウジング２３を通じてポンプ１内の液化ガスに伝わりやすい。一方、図６に示す実施形態では、液化ガスによって最も冷却されるモータハウジング２３のポンプ側端部２３Ａに溝６０が形成されているので、ポンプ側端部２３Ａの収縮によるモータステータ２２の圧縮を緩和させることができる。

【0035】

一実施形態では、図７に示すように、各溝６０はモータハウジング２３の軸方向の全長に亘って延びてもよい。すなわち、各溝６０のポンプ側端部は、モータハウジング２３のポンプ側端部２３Ａまで延び、ポンプ側ブラケット１１に達している。各溝６０の反ポンプ側端部は、モータハウジング２３の反ポンプ側端部２３Ｂまで延び、反ポンプ側ブラケット１２に達している。図示しないが、一実施形態では、各溝６０がステータコア２７の軸方向長さよりも長い限りにおいて、各溝６０は、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２に達していなくてもよい。

【0036】

一実施形態では、ポンプ装置は、図２を参照して説明した補強環５０と、図３乃至図７を参照して説明した溝６０の両方を備えてもよい。

【0037】

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

【符号の説明】

【0038】

１ ポンプ
２ 羽根車
５ 回転軸
７ 電動機
１１ ポンプ側ブラケット
１２ 反ポンプ側ブラケット
１５ 羽根車ケーシング
１６ 吸込み口
２１ モータロータ
２２ モータステータ
２３ モータハウジング
２６ コイル
２７ ステータコア
３１，３２ 軸受
３５，３６ 嵌合部
４０ 軸封装置
５０ 補強環
６０ 溝

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】