特許 7228073 ポンプ装置、ポンプシステム、およびポンプシステムの運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-14

(45)【発行日】2023-02-22

(54)【発明の名称】ポンプ装置、ポンプシステム、およびポンプシステムの運転方法

(51)【国際特許分類】

   F04D 7/02 20060101AFI20230215BHJP

【ＦＩ】

F04D7/02 A

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2022142393

(22)【出願日】2022-09-07

【審査請求日】2022-09-08

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000226242

【氏名又は名称】日機装株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100141173

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 啓一

(72)【発明者】

【氏名】久保田 康志

【審査官】嘉村 泰光

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０６０１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１７３５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－１５９７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４７－２３４９２（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３４３９３２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０８５１２３６０（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ １／００－１３／１６

Ｆ０４Ｄ １７／００－１９／０２

Ｆ０４Ｄ ２１／００－２５／１６

Ｆ０４Ｄ ２９／００－３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体水素と、前記液体水素が気化した水素ガスと、が貯留される貯留タンクに接続され、前記液体水素を送液するポンプ装置であって、
回転軸と、
前記回転軸を回転させるモータと、
前記回転軸の軸方向において、前記回転軸の一端部に取り付けられるインペラと、
前記モータが収容されるモータ室と、前記インペラが収容されるポンプ室と、を有する筐体と、
前記回転軸と前記筐体とに取り付けられ、前記ポンプ室に対して前記モータ室をシールするメカニカルシールと、
を有してなり、
前記モータは、
前記回転軸に取り付けられるロータと、
前記回転軸の径方向において前記ロータに直接対向し、前記ロータを回転させるステータと、
を備え、
前記モータ室には、前記水素ガスが導入される、
ポンプ装置。

【請求項2】

前記筐体は、前記貯留タンクのうち、前記水素ガスが貯留される気相部に接続されるガス経路に接続されるガス導入口を備え、
前記モータ室には、前記ガス導入口を介して、前記水素ガスが導入される、
請求項１に記載のポンプ装置。

【請求項3】

前記筐体は、
前記ポンプ室と前記モータ室それぞれと前記筐体の外部環境とを区画する外壁と、
前記筐体の前記ポンプ室側に配置され、前記貯留タンクからの前記液体水素を前記ポンプ室に吸込む吸込口と、
前記筐体の前記モータ室側に配置され、前記ポンプ室からの前記液体水素を吐出する吐出口と、
前記外壁内に配置され、前記ポンプ室からの前記液体水素を前記吐出口に案内する案内流路と、
を備える、
請求項２に記載のポンプ装置。

【請求項4】

前記ガス経路の一部を構成する熱交換経路を有してなり、
前記熱交換経路は、前記熱交換経路内の前記水素ガスと、前記案内流路内の前記液体水素と、の間で熱交換可能に配置される、
請求項３に記載のポンプ装置。

【請求項5】

前記モータ室に配置されるファンを有してなり、
前記筐体は、前記モータ室に導入された前記水素ガスを前記ガス経路に導出するガス導出口を備え、
前記ファンは、前記ガス導入口から前記モータ室に導入された前記水素ガスを前記ガス導出口に向けて流動させる、
請求項２乃至４のいずれか１項に記載のポンプ装置。

【請求項6】

前記モータは、前記ロータが永久磁石を備える永久磁石界磁型モータであり、
前記ロータを覆い、前記ロータを前記水素ガスから隔離する保護部材を備える、
請求項１に記載のポンプ装置。

【請求項7】

液体水素と、前記液体水素が気化した水素ガスと、が貯留される貯留タンクに接続され、前記液体水素を送液するポンプシステムであって、
前記液体水素を吸込み、吐出するポンプ装置と、
前記貯留タンクのうち、前記水素ガスが貯留される気相部に接続されるガス経路と、
を有してなり、
前記ポンプ装置は、
回転軸と、
前記回転軸を回転させるモータと、
前記回転軸の軸方向において、前記回転軸の一端部に取り付けられるインペラと、
前記モータが収容されるモータ室と、前記インペラが収容されるポンプ室と、を有する筐体と、
前記回転軸と前記筐体とに取り付けられ、前記ポンプ室に対して前記モータ室をシールするメカニカルシールと、
を備え、
前記モータは、
前記回転軸に取り付けられるロータと、
前記回転軸の径方向において前記ロータに直接対向し、前記ロータを回転させるステータと、
を備え、
前記筐体は、前記ガス経路に接続されるガス導入口を備え、
前記モータ室には、前記ガス経路と前記ガス導入口とを介して、前記水素ガスが導入される、
ポンプシステム。

【請求項8】

前記ガス経路は、
前記水素ガスを一時的に貯留するバッファタンクと、
前記バッファタンクと前記気相部とに接続される第１ガス経路と、
前記バッファタンクと前記ガス導入口とに接続される第２ガス経路と、
前記第１ガス経路に接続され、前記第１ガス経路を開閉する開閉弁と、
を備える、
請求項７に記載のポンプシステム。

【請求項9】

前記筐体に備えられ前記ポンプ室からの前記液体水素を吐出する吐出口、に接続される吐出流路と、
前記ガス経路内の前記水素ガスと、前記吐出流路内の前記液体水素と、の間で熱交換させる熱交換器と、
を有してなる、
請求項８に記載のポンプシステム。

【請求項10】

前記吐出流路は、前記吐出流路内を流れる前記液体水素と、前記バッファタンク内の前記水素ガスと、の間で熱交換可能に配置され、
前記バッファタンクは、前記熱交換器として機能する、
請求項９に記載のポンプシステム。

【請求項11】

前記筐体は、
前記ポンプ室と前記モータ室それぞれを区画する外壁と、
前記筐体の前記ポンプ室側に配置され、前記貯留タンクからの前記液体水素を前記ポンプ室に吸込む吸込口と、
前記筐体の前記モータ室側に配置され、前記ポンプ室からの前記液体水素を吐出する吐出口と、
前記外壁内に配置され、前記ポンプ室からの前記液体水素を前記吐出口に案内する案内流路と、
を備える、
請求項７に記載のポンプシステム。

【請求項12】

前記ガス経路は、前記ポンプ装置に取り付けられる熱交換経路を備え、
前記熱交換経路は、前記熱交換経路内の前記水素ガスと、前記案内流路内の前記液体水素と、の間で熱交換可能に配置される、
請求項１１に記載のポンプシステム。

【請求項13】

前記モータ室と前記ガス経路との間で前記水素ガスを循環させるファンを有してなり、
前記筐体は、前記モータ室に導入された前記水素ガスを前記ガス経路に導出するガス導出口を備え、
前記ガス経路は、前記ガス導出口に接続される第３ガス経路を備える、
請求項７乃至１２のいずれか１項に記載のポンプシステム。

【請求項14】

前記ファンは、前記回転軸に取り付けられ、前記ガス導入口から導入された前記水素ガスを前記ガス導出口に向けて流動させる、
請求項１３に記載のポンプシステム。

【請求項15】

前記ファンは、前記軸方向において、前記回転軸の他端部に取り付けられ、
前記筐体は、前記モータが収容される第１モータ室と、前記ファンが収容される第２モータ室と、を区画する隔壁を備え、
前記隔壁は、前記第１モータ室と前記第２モータ室とを連通させる通気孔を備え、
前記ガス導入口は、前記第２モータ室に開口し、
前記ガス導出口は、前記第１モータ室に開口し、前記軸方向において、前記モータよりも前記一端部側に配置される、
請求項１４に記載のポンプシステム。

【請求項16】

前記モータ室に導入された前記水素ガスをパージするために用いられるパージガスが貯留されるパージガスタンクと、前記ガス経路と、に接続されるパージガス経路と、
前記モータ室に導入されるガスを前記パージガスと前記水素ガスとの間で切り替える切替部と、
を有してなる、
請求項７に記載のポンプシステム。

【請求項17】

液体水素と、前記液体水素が気化した水素ガスと、が貯留される貯留タンクに接続され、前記液体水素を送液するポンプシステムの運転方法であって、
前記ポンプシステムは、
前記液体水素を吸込み、吐出するポンプ装置と、
前記貯留タンクのうち、前記水素ガスが貯留される気相部に接続されるガス経路と、
を備え、
前記ポンプ装置は、
回転軸と、
前記回転軸を回転させるモータと、
前記回転軸の軸方向において、前記回転軸の一端部に取り付けられるインペラと、
前記モータが収容されるモータ室と、前記インペラが収容されるポンプ室と、を有する筐体と、
前記回転軸と前記筐体とに取り付けられ、前記ポンプ室に対して前記モータ室をシールするメカニカルシールと、
を備え、
前記モータは、
前記回転軸に取り付けられるロータと、
前記回転軸の径方向において前記ロータに直接対向し、前記ロータを回転させるステータと、
を備え、
前記ポンプ装置が送液可能となるまでの準備を行う事前準備ステップと、
前記ポンプ室から前記液体水素を吐出するステップと、
を含み、
前記事前準備ステップは、
前記ポンプ室に前記液体水素を導入するステップと、
前記ガス経路を介して前記モータ室に前記水素ガスを導入するステップと、
を含む、
ポンプシステムの運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ポンプ装置、ポンプシステム、およびポンプシステムの運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、次世代におけるエネルギーとして、水素エネルギーが注目されている。水素は、燃料電池の燃料として用いられることにより、理論的に高いエネルギー効率で電力に変換可能で、かつ有害な排出物を出さないことから、高効率なクリーンエネルギー源となり得る。水素は、例えば、液体水素として、燃料電池車用の水素ステーションに貯蔵されている。

【0003】

液体水素の送液に、メカニカルシールで区画されたモータ部およびポンプ部を備える遠心ポンプが用いられる場合、メカニカルシール部分から液体水素の微量な漏れが生ずる。漏れた液体水素は、気化して水素ガスとなり、外部環境へ漏洩する。そのため、例えば、ヘリウムガスによる水素ガスのパージ処理が必要となるが、同処理のランニングコストは大きく、同処理のシステムは複雑である。そこで、無漏洩型のキャンドモータポンプを液体水素の送液に用いる手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２０－１６２２７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

液体水素の比重は約０．０７と小さいため、送液に必要な圧力を得るためにはロータの高速回転が必要となる。この場合、ロータを液封している金属キャンを通過する磁束が高速で変化して、金属キャンに渦電流が流れる現象（いわゆる、キャンロス）が発生する。同現象は、モータ部（ロータ）の回転周波数に応じて増加する。また、ロータが液中で回転するため、液体によるロータへの流体摩擦損失がモータ部（ロータ）の回転周波数に応じて増加する。そのため、キャンドモータポンプは、高速回転により液体水素を送液する遠心ポンプとしては適切ではない場合がある。

【0006】

一方、無漏洩型の遠心ポンプとして、モータ部（ロータおよびステータ）が取扱液と共に液封されたポンプが知られている。同ポンプでは、前述された渦電流が流れる現象は発生しないが、液体によるロータへの流体摩擦損失は発生する。また、同ポンプおよびキャンドモータポンプの場合、吐出流量が小さくなると、吐出液の温度上昇が大きくなり易く、ポンプ部の二相流化も生じ易い。同ポンプおよびキャンドモータポンプでは、ポンプ部が二相流化すると、ロータの回転軸の軸受の潤滑が不安定となり、ロータに対する流体加振力が大きくなり、軸受の寿命が早まる。そのため、同ポンプおよびキャンドモータポンプでは、モータ部は常に取扱液で満たされていなければならない。しかしながら、液体水素は沸点が極低温であり、モータ部を常に液体水素で満たすには、専用の設計およびある程度の流量が必要となる。

【0007】

本発明は、液体水素の外部環境への漏洩が無く、ロータが液封されているポンプよりも高速回転に適したポンプ装置、ポンプシステムおよびポンプシステムの運転方法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】

【0008】

本発明の一実施態様におけるポンプ装置は、液体水素と、前記液体水素が気化した水素ガスと、が貯留される貯留タンクに接続され、前記液体水素を送液するポンプ装置であって、回転軸と、前記回転軸を回転させるモータと、前記回転軸の軸方向において、前記回転軸の一端部に取り付けられるインペラと、前記モータが収容されるモータ室と、前記インペラが収容されるポンプ室と、を有する筐体と、前記回転軸と前記筐体とに取り付けられ、前記ポンプ室に対して前記モータ室をシールするメカニカルシールと、を有してなり、前記モータは、前記回転軸に取り付けられるロータと、前記回転軸の径方向において前記ロータに直接対向し、前記ロータを回転させるステータと、を備え、前記モータ室には、前記水素ガスが導入される、ポンプ装置である。

【0009】

本発明の一実施形態におけるポンプシステムは、液体水素と、前記液体水素が気化した水素ガスと、が貯留される貯留タンクに接続され、前記液体水素を送液するポンプシステムであって、前記液体水素を吸込み、吐出するポンプ装置と、前記貯留タンクのうち、前記水素ガスが貯留される気相部に接続されるガス経路と、を有してなり、前記ポンプ装置は、回転軸と、前記回転軸を回転させるモータと、前記回転軸の軸方向において、前記回転軸の一端部に取り付けられるインペラと、前記モータが収容されるモータ室と、前記インペラが収容されるポンプ室と、を有する筐体と、前記回転軸と前記筐体とに取り付けられ、前記ポンプ室に対して前記モータ室をシールするメカニカルシールと、を備え、前記モータは、前記回転軸に取り付けられるロータと、前記回転軸の径方向において前記ロータに直接対向し、前記ロータを回転させるステータと、を備え、前記筐体は、前記モータ室に開口し、前記ガス経路に接続されるガス導入口を備え、前記モータ室には、前記ガス経路と前記ガス導入口とを介して、前記水素ガスが導入される、ポンプシステムである。

【0010】

本発明の一実施形態におけるポンプシステムの運転方法は、液体水素と、前記液体水素が気化した水素ガスと、が貯留される貯留タンクに接続され、前記液体水素を送液するポンプシステムの運転方法であって、前記ポンプシステムは、前記液体水素を吸込み、吐出するポンプ装置と、前記貯留タンクのうち、前記水素ガスが貯留される気相部に接続されるガス経路と、を備え、前記ポンプ装置は、回転軸と、前記回転軸を回転させるモータと、前記回転軸の軸方向において、前記回転軸の一端部に取り付けられるインペラと、前記モータが収容されるモータ室と、前記インペラが収容されるポンプ室と、を有する筐体と、前記回転軸と前記筐体とに取り付けられ、前記ポンプ室に対して前記モータ室をシールするメカニカルシールと、を備え、前記モータは、前記回転軸に取り付けられるロータと、前記回転軸の径方向において前記ロータに直接対向し、前記ロータを回転させるステータと、を備え、前記ポンプ装置が送液可能となるまでの準備を行う事前準備ステップと、前記ポンプ室から前記液体水素を吐出するステップと、を含み、前記事前準備ステップは、前記ポンプ室に前記液体水素を導入するステップと、前記ガス経路を介して前記モータ室に前記水素ガスを導入するステップと、を含む、ポンプシステムの運転方法である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、液体水素および水素ガスの外部環境への漏洩が無く、ロータが液封されているポンプよりも高速回転に適したポンプ装置、ポンプシステムおよびポンプシステムの運転方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明に係るポンプシステムの第１実施形態を示す模式配管図である。

【図2】本発明に係るポンプ装置の第１実施形態を示す模式断面図である。

【図3】図１のポンプシステムの第１変形例を示す模式配管図である。

【図4】図１のポンプシステムの第２変形例を示す模式配管図である。

【図5】本発明に係るポンプシステムの第２実施形態を示す模式配管図である。

【図6】本発明に係るポンプ装置の第２実施形態を示す模式断面図である。

【図7】図５のポンプシステムの第１変形例を示す模式配管図である。

【図8】図５のポンプシステムの第２変形例を示す模式配管図である。

【図9】図５のポンプシステムの第３変形例を示す模式配管図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照しながら、本発明に係るポンプ装置、ポンプシステムおよびポンプシステムの運転方法の実施の形態について説明する。各図において、同一の部材および要素については同一の符号が付され、重複する説明は省略される。また、各要素の寸法比率は、説明の便宜上、誇張されている場合が有り、各図面に図示されている比率に限定されない。

【0014】

●ポンプシステム（１）●
先ず、本発明に係るポンプシステムの実施の形態（以下「第１実施形態」という。）について説明する。

【0015】

●ポンプシステム（１）の構成
図１は、本発明に係るポンプシステムの第１実施形態を示す模式配管図である。

【0016】

ポンプシステム１は、液体水素Ｈ_２（Ｌ）を送液する。ポンプシステム１は、ポンプ装置２、第１貯留タンクＴ１、第２貯留タンクＴ２、ガス経路Ｌ１、パージガス経路Ｌ２、吸込流路Ｌ３、吸込弁Ｖ１１、吐出流路Ｌ４、および吐出弁Ｖ１２を有してなる。

【0017】

ポンプ装置２は、第１貯留タンクＴ１に接続されて、第１貯留タンクＴ１に貯留されている液体水素Ｈ_２（Ｌ）を送液する。ポンプ装置２の構成については、後述される。

【0018】

第１貯留タンクＴ１は、液体水素Ｈ_２（Ｌ）を貯留する、例えば、公知の高圧水素タンクである。第１貯留タンクＴ１は、本発明における貯留タンクの一例である。第１貯留タンクＴ１の内部には、液体水素Ｈ_２（Ｌ）が貯留されている液相部Ｔ１Ｌ、および、液体水素Ｈ_２（Ｌ）が気化した水素ガスＨ_２（Ｇ）が貯留されている気相部Ｔ１Ｇが形成されている。気相部Ｔ１Ｇは、液相部Ｔ１Ｌの上方に配置されている。

【0019】

第２貯留タンクＴ２は、ポンプシステム１において、水素ガスＨ_２（Ｇ）のパージガスとして機能するヘリウムガスＨｅ（Ｇ）を貯留する、例えば、公知のヘリウムガスボンベである。第２貯留タンクＴ２は、本発明におけるパージガスタンクの一例である。

【0020】

ガス経路Ｌ１は、気相部Ｔ１Ｇと後述されるモータ室３６とに接続され、これらの間において水素ガスＨ_２（Ｇ）が通される経路である。ガス経路Ｌ１は、管体部Ｌ１１、第１弁Ｖ１、および第２弁Ｖ２を備える。

【0021】

管体部Ｌ１１は、気相部Ｔ１Ｇと後述されるモータ室３６とに接続される公知の管体である。管体部Ｌ１１は、例えば、ステンレス鋼製であり、公知の断熱構造（例えば、二重構造による真空断熱構造）を有する。

【0022】

第１弁Ｖ１および第２弁Ｖ２は、管体部Ｌ１１に接続され、管体部Ｌ１１を開閉する公知の弁（例えば、ゲート弁）である。第１弁Ｖ１および第２弁Ｖ２は、例えば、ステンレス鋼製であり、公知の断熱構造（例えば、二重構造による真空断熱構造）を有する。ガス経路Ｌ１において、第２弁Ｖ２は、第１弁Ｖ１よりも下流側（ポンプ装置２側）に配置されている。第１弁Ｖ１は、本発明における開閉弁の一例である。

【0023】

パージガス経路Ｌ２は、第２貯留タンクＴ２とガス経路Ｌ１とに接続され、これらの間においてヘリウムガスＨｅ（Ｇ）が通される経路である。パージガス経路Ｌ２は、管体部Ｌ２１および第３弁Ｖ３を備える。ガス経路Ｌ１とパージガス経路Ｌ２との接続点は、管体部Ｌ１１における第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２との間に配置されている。

【0024】

管体部Ｌ２１は、第２貯留タンクＴ２とガス経路Ｌ１とに接続される公知の管体である。管体部Ｌ２１は、例えば、管体部Ｌ１１と同じ金属製であり、管体部Ｌ１１と同じ断熱構造を有する。

【0025】

第３弁Ｖ３は、パージガス経路Ｌ２に接続され、パージガス経路Ｌ２を開閉する公知の弁（例えば、ゲート弁）である。第３弁Ｖ３は、例えば、第１弁Ｖ１と同じ金属製であり、第１弁Ｖ１と同じ断熱構造を有する。

【0026】

吸込流路Ｌ３は、液相部Ｔ１Ｌと後述される吸込口４４ａとに接続される公知の管体である。吸込流路Ｌ３は、例えば、ステンレス鋼製であり、公知の断熱構造（例えば、二重構造による真空断熱構造）を有する。

【0027】

吸込弁Ｖ１１は、吸込流路Ｌ３に接続され、吸込流路Ｌ３を開閉する公知の弁（例えば、ゲート弁）である。吸込弁Ｖ１１は、例えば、ステンレス鋼製であり、公知の断熱構造（例えば、二重構造による真空断熱構造）を有する。

【0028】

吐出流路Ｌ４は、後述される吐出口４５ａに接続される公知の管体である。吐出流路Ｌ４は、例えば、吸込流路Ｌ３と同じ金属製であり、吸込流路Ｌ３と同じ断熱構造を有する。

【0029】

吐出弁Ｖ１２は、吐出流路Ｌ４に接続され、吐出流路Ｌ４を開閉する公知の弁（例えば、ゲート弁）である。吐出弁Ｖ１２は、例えば、ステンレス鋼製であり、公知の断熱構造（例えば、二重構造による真空断熱構造）を有する。

【0030】

ここで、各管体部Ｌ１１，Ｌ２１は、主に後述されるモータ室３６内の雰囲気を対応するガス（水素ガスＨ_２（Ｇ）、ヘリウムガスＨｅ（Ｇ））雰囲気にするために、これらのガスが通される管体である。各管体部Ｌ１１，Ｌ２１は、モータ室３６の容積に応じて比較的細い管体（細管）で構成されている。一方、吸込流路Ｌ３および吐出流路Ｌ４は、ポンプ装置２の対応流量に応じて比較的太い管体（太管）で構成されている。

【0031】

なお、各管体、第１～第３弁Ｖ１～Ｖ３、吸込弁Ｖ１１、および吐出弁Ｖ１２が有する断熱構造は、公知の断熱構造であり、本実施の形態において説明された構造に限定されない。すなわち、例えば、ポンプ装置２、ガス経路Ｌ１、パージガス経路Ｌ２、吸込流路Ｌ３、吸込弁Ｖ１１、吐出流路Ｌ４、および吐出弁Ｖ１２がチャンバーに収容され、チャンバー内の雰囲気が真空雰囲気に維持可能に構成されていてもよい。

【0032】

●ポンプ装置（１）の構成
図２は、本発明に係るポンプ装置の実施の形態（以下「第１実施形態」という。）を示す模式断面図である。同図は、ポンプ装置２に導入される水素ガスＨ_２（Ｇ）の流れを白抜き矢印で例示し、後述される液体水素Ｈ_２（Ｌ）が気化した水素ガスＨ_２（Ｇ）の流れを黒塗り矢印で例示している。

【0033】

ポンプ装置２は、モータ部３、ポンプ部４、温度センサ５、および圧力センサ６を備える。ポンプ装置２の主な構成は、ポンプ装置２が後述されるロータ３４を液封する金属キャンを備えていない点、および、ポンプ装置２が後述されるメカニカルシール４２を備える点を除き、公知のキャンドモータポンプの主な構成とほぼ共通している。そのため、以下の説明において、モータ部３およびポンプ部４の構成は、公知のキャンドモータポンプの構成と異なる点を中心に説明され、他の構成の詳細な説明は省略される。

【0034】

以下の説明において、「前方向」はモータ部３に対してポンプ部４が位置する方向であり、「後方向」はポンプ部４に対してモータ部３が位置する方向である。

【0035】

モータ部３は、所定の駆動電圧・駆動周波数で駆動し、後述されるインペラ４１を回転させる。モータ部３は、筐体３０、回転軸３１、軸受３２，３３、ロータ３４、ステータ３５、およびモータ室３６を備える。ロータ３４およびステータ３５は、本発明におけるモータの一例であるモータＭを構成している。

【0036】

筐体３０は、回転軸３１、軸受３２，３３、ロータ３４、およびステータ３５を収容するモータ室３６を区画している。すなわち、筐体３０は、モータ室３６を有する。筐体３０は、ガス導入口３０ａを備える。筐体３０は、例えば、ステンレス鋼製である。

【0037】

ガス導入口３０ａは、筐体３０を貫通する貫通孔である。ガス導入口３０ａは、例えば、筐体３０の後部に配置され、モータ室３６に開口している。ガス導入口３０ａには、ガス経路Ｌ１（管体部Ｌ１１）が接続されている。

【0038】

回転軸３１は、ロータ３４の回転により回転し、回転動力を後述されるインペラ４１に伝達する。回転軸３１の形状は、例えば、円柱状である。回転軸３１は、ロータ３４に挿通されて、ロータ３４に固定されている。回転軸３１の軸方向において、回転軸３１の前端部３１ａは後述されるポンプ室４３内に突出している。回転軸３１の軸方向において、回転軸３１の前端部３１ａは本発明における一端部の一例であり、後端部３１ｂは本発明における他端部の一例である。

【0039】

軸受３２，３３は、筐体３０と回転軸３１とに取り付けられることにより、回転軸３１を回転自在に支持している。軸受３２はロータ３４の前方に配置され、軸受３３はロータ３４の後方に配置されている。軸受３２，３３は、例えば、公知のボールベアリングである。

【0040】

ロータ３４は、ステータ３５に生じる回転磁界により回転する。ロータ３４の形状は、円筒状である。ロータ３４は、ステータ３５に収容されている。

【0041】

ステータ３５は、ロータ３４を回転させる回転磁界を生成する。ステータ３５は、円筒状のステータコア３５ａ、および複数のモータ巻線３５ｂを備える。回転軸３１の径方向において、ステータ３５の内周面はロータ３４の外周面に直接対向している。すなわち、ロータ３４とステータ３５との間には公知のキャンドモータポンプが備える金属キャンのような構造物（遮蔽物）は配置されていない。

【0042】

ポンプ部４は、液体水素Ｈ_２（Ｌ）を吸込み、吐出する。ポンプ部４は、筐体４０、インペラ４１、メカニカルシール４２、ポンプ室４３、吸込管部４４、および吐出管部４５を備える。

【0043】

筐体４０は、インペラ４１およびメカニカルシール４２を収容するポンプ室４３を区画すると共に、ポンプ室４３に吸込まれる液体水素Ｈ_２（Ｌ）の流路である吸込管部４４、および、ポンプ室４３から吐出される液体水素Ｈ_２（Ｌ）の流路である吐出管部４５を形成している。すなわち、筐体４０は、ポンプ室４３、吸込管部４４、および吐出管部４５を有する。ポンプ室４３は、吸込管部４４および吐出管部４５に連通している。吸込管部４４は、吸込流路Ｌ３に接続されている吸込口４４ａを備える。吐出管部４５は、吐出流路Ｌ４に接続されている吐出口４５ａを備える。筐体４０は、筐体３０と同じ金属製である。筐体４０は、筐体３０の前方に配置され、筐体３０に取り付けられている。筐体４０は、筐体３０と共に、本発明における筐体を構成している。

【0044】

インペラ４１は、回転軸３１の前端部３１ａに取り付けられ、ポンプ室４３に収容されている。

【0045】

メカニカルシール４２は、回転軸３１と筐体４０とに取り付けられることにより、ポンプ室４３に対してモータ室３６をシールしている。回転軸３１の軸方向において、メカニカルシール４２は、軸受３３とインペラ４１との間に配置されている。メカニカルシール４２は、例えば、筐体４０に取り付けられる固定環（不図示）、および、回転軸３１に取り付けられる回転環（不図示）を備える公知のメカニカルシールである。

【0046】

温度センサ５は、モータ部３に取り付けられ、モータ室３６内の温度を検知する。温度センサ５は、例えば、極低温（例えば、液体水素Ｈ_２（Ｌ）の温度）まで検知可能な公知の温度センサである。

【0047】

圧力センサ６は、モータ部３に取り付けられ、モータ室３６内の圧力を検知する。圧力センサ６は、例えば、公知の圧力センサである。

【0048】

●ポンプシステム（１）の動作
次に、ポンプシステム１の動作、すなわち、本発明に係るポンプシステム１の運転方法について、説明する。以下の説明において、図１および図２は、適宜参照される。

【0049】

ポンプシステム１の動作の開始前（ポンプ装置２の運転前）、第１弁Ｖ１、第３弁Ｖ３、吸込弁Ｖ１１、および吐出弁Ｖ１２は閉じられている。また、ガス経路Ｌ１における第１弁Ｖ１より下流側、モータ室３６、吸込流路Ｌ３における吸込弁Ｖ１１よりも下流側（ポンプ装置２側）、吸込管部４４、ポンプ室４３、吐出管部４５、および吐出流路Ｌ４における吐出弁Ｖ１２よりも上流側（ポンプ装置２側）内は、例えば、吐出流路Ｌ４に接続されている真空ポンプ（不図示。以下同じ。）により真空雰囲気に保たれている。

【0050】

なお、本発明において、ポンプシステム１の動作の開始前、ガス経路Ｌ１における第１弁Ｖ１より下流側およびモータ室３６内は、水素よりも低い融点を有するヘリウムガスに満たされていてもよい。

【0051】

先ず、ポンプ装置２が送液可能となるまでの準備が実行される（事前準備ステップ）。事前準備ステップでは、先ず、吐出流路Ｌ４と真空ポンプとの接続が遮断される。次いで、吸込弁Ｖ１１が開かれ、第１貯留タンクＴ１の液相部Ｔ１Ｌに貯留されている液体水素Ｈ_２（Ｌ）が吸込流路Ｌ３、吸込管部４４、ポンプ室４３、吐出管部４５、および吐出流路Ｌ４における吐出弁Ｖ１２よりも上流側内に導入される（液体水素導入ステップ）。その結果、吸込流路Ｌ３、吸込管部４４、ポンプ室４３、吐出管部４５、および吐出流路Ｌ４における吐出弁Ｖ１２よりも上流側内は、液体水素Ｈ_２（Ｌ）で満たされる。その結果、吸込流路Ｌ３、吸込管部４４、ポンプ室４３、吐出管部４５、および吐出流路Ｌ４における吐出弁Ｖ１２よりも上流側内は、液体水素Ｈ_２（Ｌ）の温度まで冷却される（流路予冷ステップ）。

【0052】

次いで、第１弁Ｖ１および第２弁Ｖ２が開けられる。このとき、モータ室３６と気相部Ｔ１Ｇとはガス経路Ｌ１およびガス導入口３０ａを介して連通し、気相部Ｔ１Ｇに貯留されている水素ガスＨ_２（Ｇ）がガス経路Ｌ１およびガス導入口３０ａを介してモータ室３６に導入される（水素ガス導入ステップ）。その結果、モータ室３６内は水素ガスＨ_２（Ｇ）で満たされ、同水素ガスＨ_２（Ｇ）は、回転軸３１および筐体３０，４０を介して、ポンプ室４３内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）により冷却される。最終的に、ガス経路Ｌ１およびモータ室３６内の雰囲気は、気相部Ｔ１Ｇ内の雰囲気と平衡する。すなわち、ガス経路Ｌ１およびモータ室３６内は、水素ガスＨ_２（Ｇ）により極低温に冷却され、安定した水素ガスＨ_２（Ｇ）雰囲気となっている。ここで、前述のとおり、水素ガスＨ_２（Ｇ）導入前において、ガス経路Ｌ１における第１弁Ｖ１より下流側およびモータ室３６内は、真空雰囲気（または、ヘリウムガス雰囲気）に保たれている。そのため、ガス経路Ｌ１およびモータ室３６には、導入された極低温の水素ガスＨ_２（Ｇ）により凍結し得る他のガス成分（例えば、酸素や窒素など）が存在せず、同ガス成分の凍結による技術的課題（例えば、細管である管体部Ｌ１１の詰まり、軸受３２，３３の凍結など）は生じない。

【0053】

なお、事前準備ステップにおいて、水素ガス導入ステップは、液体水素導入ステップと同時に実行されていてもよく、液体水素導入ステップよりも先に実行されていてもよい。後者の場合、水素ガス導入ステップは、モータ室３６内の雰囲気が平衡する前に実行されていてもよい。

【0054】

次いで、吐出弁Ｖ１２が開けられ、ポンプ装置２が動作し、インペラ４１が回転することにより、ポンプ室４３内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）が吐出管部４５を介して吐出流路Ｌ４に吐出される。その結果、吐出流路Ｌ４（主に吐出弁Ｖ１２よりも下流側）内は、液体水素Ｈ_２（Ｌ）の温度まで冷却される（送液流路予冷ステップ）。このとき、ポンプ装置２による液体水素Ｈ_２（Ｌ）の送液が可能となる（事前準備ステップにおける各動作が完了する）。その後、液体水素Ｈ_２（Ｌ）の送液が開始される（液体水素送液ステップ）。このとき、第１弁Ｖ１が閉じられ、モータ室３６は気相部Ｔ１Ｇと遮断される。その結果、ガス経路Ｌ１における第１弁Ｖ１よりも下流側およびモータ室３６内の雰囲気は、所定の水素ガスＨ_２（Ｇ）雰囲気に維持されている。

【0055】

このとき、軸受３２，３３は、水素ガスＨ_２（Ｇ）により潤滑されている。ここで、水素ガスＨ_２（Ｇ）の動粘度は、液体水素Ｈ_２（Ｌ）の動粘度よりも数倍大きい。そのため、ポンプ装置２における軸受３２，３３の潤滑性は、液体水素Ｈ_２（Ｌ）を軸受３２，３３の潤滑に用いる場合よりも優れている。

【0056】

前述のとおり、第１弁Ｖ１は閉じられているため、ガス経路Ｌ１における第１弁Ｖ１より下流側およびモータ室３６内は、水素ガスＨ_２（Ｇ）雰囲気の閉じられた空間（気相空間）となっている。そのため、モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）は、筐体３０，４０および回転軸３１を介してポンプ室４３内を流れる液体水素Ｈ_２（Ｌ）により冷却され、モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）の雰囲気は熱的および圧力的に平衡状態となる。そして、モータ室３６内（例えば、軸受３２，３３やモータＭ）に局所的に発生する熱は、モータ室３６内の極低温の水素ガスＨ_２（Ｇ）により吸収される。ここで、気相空間を構成しているガス経路Ｌ１およびモータ室３６（筐体３０）の構成は、ポンプ装置２の通常の運転時に想定される熱および同熱による圧力の変動を許容可能な構成となっている。また、第１弁Ｖ１は閉じられているため、モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）に吸収された熱は、気相部Ｔ１Ｇには伝達されない。

【0057】

また、前述のとおり、モータ室３６内は、取扱液である液体水素Ｈ_２（Ｌ）ではなく、水素ガスＨ_２（Ｇ）で満たされている。そのため、ロータ３４には、従来の無漏洩型の遠心ポンプ（以下「従来ポンプ」という。）のように、液封されているロータに発生する流体摩擦損失は発生しない。また、ロータ３４とステータ３５との間に金属キャンが配置されていないため、従来のキャンドモータポンプのような渦電流による損失も発生しない。すなわち、ポンプ装置２では、ロータ３４の回転数を上げても、従来ポンプに発生する流体摩擦損失および渦電流による損失は、発生しない。したがって、ポンプ装置２の全体的な効率は従来ポンプよりも向上し、ポンプ装置２は従来ポンプよりも高速回転の運転に適応できる。さらに、ポンプ装置２が低速回転で運転されても、モータ室３６内の雰囲気は水素ガスＨ_２（Ｇ）雰囲気（一相流）であり、モータ室３６内は二相流化しない。したがって、ポンプ装置２は、従来ポンプよりも低速回転の運転にも適応できる。

【0058】

さらに、前述のとおり、モータ室３６はメカニカルシール４２によりポンプ室４３に対してシールされている。そのため、回転軸３１の回転に伴い、微量の液体水素Ｈ_２（Ｌ）がメカニカルシール４２を介してモータ室３６内に漏れ得る。モータ室３６内に漏れた液体水素Ｈ_２（Ｌ）は気化して水素ガスＨ_２（Ｇ）となるが、同水素ガスＨ_２（Ｇ）はモータ室３６内に満たされている水素ガスＨ_２（Ｇ）内に拡散し（図２の灰色矢印）、モータ室３６、ガス経路Ｌ１および気相部Ｔ１Ｇ（第１弁Ｖ１が開けられていれば）の外部環境には漏洩しない。すなわち、ポンプシステム１は、メカニカルシール４２を用いながら、ポンプシステム１全体で液体水素Ｈ_２（Ｌ）および水素ガスＨ_２（Ｇ）の無漏洩化を実現している。

【0059】

さらにまた、前述のとおり、モータ室３６内は、取扱液である液体水素Ｈ_２（Ｌ）ではなく、水素ガスＨ_２（Ｇ）で満たされている。そのため、従来ポンプのように、ポンプシステム１の動作の開始時にモータ部３に液体水素Ｈ_２（Ｌ）を充填する必要がなく、ポンプシステム１の動作の終了時にモータ部３に充填された液体水素Ｈ_２（Ｌ）の排出前に気化させる処理（気化処理）が不要となる。すなわち、ポンプシステム１では、液体水素Ｈ_２（Ｌ）は、ポンプ室４３のみに導入される。そのため、液体水素Ｈ_２（Ｌ）の不要な消費が抑えられ、ポンプシステム１の運用上のコストダウンおよび省エネルギー化が実現できる。

【0060】

このように、ポンプシステム１では、水素（液体水素Ｈ_２（Ｌ）および水素ガスＨ_２（Ｇ））を外部環境に漏洩させることなく、効率的に液体水素Ｈ_２（Ｌ）を吐出できる。ポンプシステム１の動作中、モータ室３６内の状態（温度および圧力）は、温度センサ５および圧力センサ６により検知されている。そのため、モータ室３６の内の状態異常は、常時検知可能である。そのため、仮に、メカニカルシール４２に不具合が生じ、多量の液体水素Ｈ_２（Ｌ）がモータ室３６内に漏れても、モータ室３６の内の状態異常が検知されることにより、ポンプシステム１はメカニカルシール４２の不具合も検知できる。

【0061】

次に、ポンプシステム１の動作が停止されるとき、先ず、ポンプ装置２の動作が停止され、吸込弁Ｖ１１および吐出弁Ｖ１２が閉じられる。その結果、ポンプ室４３への液体水素Ｈ_２（Ｌ）の導入およびポンプ装置２の送液は停止される。次いで、第３弁Ｖ３が開けられ、第２貯留タンクＴ２からのヘリウムガスＨｅ（Ｇ）が第１弁Ｖ１より下流側のガス経路Ｌ１およびモータ室３６内に導入される。その結果、同ガス経路Ｌ１およびモータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）は、ヘリウムガスＨｅ（Ｇ）によりパージされる。パージされるガスは、例えば、ガス経路Ｌ１に接続されている排出経路（不図示）を介して排出される。そのため、ポンプ装置２のメンテナンスなどの場面では、可燃性ガスである水素ガスＨ_２（Ｇ）が外部環境へ漏洩することなく、安全にポンプ装置２の取外しおよび分解が可能である。次いで、第３弁Ｖ３が閉じられ、ガス経路Ｌ１における第１弁Ｖ１より下流側、モータ室３６、吸込流路Ｌ３における吸込弁Ｖ１１よりも下流側、吸込管部４４、ポンプ室４３、吐出管部４５、および吐出流路Ｌ４における吐出弁Ｖ１２よりも上流側内は、真空ポンプにより真空雰囲気に保たれる。

【0062】

このように、第１弁Ｖ１が閉じ、第３弁Ｖ３が開いているとき、モータ室３６にはパージガス（ヘリウムガスＨｅ（Ｇ））が導入され、第１弁Ｖ１が開き、第３弁Ｖ３が閉じられているとき、モータ室３６には水素ガスＨ_２（Ｇ）が導入される。すなわち、第１弁Ｖ１および第３弁Ｖ３は、モータ室３６内に導入されるガスをパージガスと水素ガスＨ_２（Ｇ）との間で切り替える切替部として機能している。

【0063】

●まとめ（１）●
以上説明した実施の形態によれば、ポンプ装置２は、回転軸３１、モータＭ（ロータ３４，ステータ３５）、インペラ４１、筐体３０，４０、およびメカニカルシール４２を有してなる。モータＭは、モータ室３６に収容され、回転軸３１を回転させる。インペラ４１は、回転軸３１の前端部３１ａに取り付けられ、ポンプ室４３に収容されている。筐体３０はモータ室３６を区画し、筐体４０はポンプ室４３を区画している。メカニカルシール４２は、回転軸３１と筐体４０とに取り付けられ、ポンプ室４３に対してモータ室３６をシールする。回転軸３１の径方向において、ロータ３４は、ステータ３５と直接対向している。ポンプ室４３には液相部Ｔ１Ｌからの液体水素Ｈ_２（Ｌ）が導入され、モータ室３６には気相部Ｔ１Ｇからの水素ガスＨ_２（Ｇ）が導入される。

【0064】

この構成によれば、ポンプ装置２の動作中、モータ室３６内は、気相部Ｔ１Ｇから導入された水素ガスＨ_２（Ｇ）で満たされている。そのため、メカニカルシール４２を介してモータ室３６内に漏れた液体水素Ｈ_２（Ｌ）は、気化して、モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）内に拡散し、モータ室３６の外部環境には漏洩しない。すなわち、ポンプ装置２は、メカニカルシール４２を用いながら、水素（液体水素Ｈ_２（Ｌ）および水素ガスＨ_２（Ｇ））の無漏洩化を実現している。また、軸受３２，３３は、液体水素Ｈ_２（Ｌ）よりも大きい動粘度を有する水素ガスＨ_２（Ｇ）により潤滑される。そして、モータ室３６内に局所的に発生する熱は、モータ室３６内の極低温の水素ガスＨ_２（Ｇ）により吸収される。さらに、モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）は、ポンプ室４３内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）により冷却され、モータ室３６内における水素ガスＨ_２（Ｇ）の雰囲気は熱的および圧力的に平衡状態となる。さらにまた、ポンプ装置２では、従来ポンプに発生するような流体摩擦損失や渦電流による損失が発生しない。したがって、従来ポンプと比較して、ポンプ装置２の全体的な効率は従来ポンプよりも向上し、ポンプ装置２は低速回転から高速回転までの運転に適応できる。さらにまた、従来ポンプとは異なり、ポンプ装置２の動作の開始時に、液体水素Ｈ_２（Ｌ）がモータ部３に導入されない。そのため、ポンプ装置２の動作の終了時に、モータ部３に充填された液体水素Ｈ_２（Ｌ）の排除前の気化処理が不要となる。したがって、液体水素Ｈ_２（Ｌ）の不要な消費が抑えられ、ポンプ装置２の運用上のコストダウンおよび省エネルギー化が実現できる。

【0065】

また、以上説明した実施の形態によれば、ポンプシステム１は、ガス経路Ｌ１および前述のポンプ装置２を有してなる。ガス経路Ｌ１は、第１貯留タンクＴ１のうち、水素ガスＨ_２（Ｇ）が貯留されている気相部Ｔ１Ｇに接続されている。筐体３０は、ガス経路Ｌ１に接続されているガス導入口３０ａを備える。モータ室３６には、ガス経路Ｌ１およびガス導入口３０ａを介して、気相部Ｔ１Ｇからの水素ガスＨ_２（Ｇ）が導入される。この構成によれば、ポンプシステム１の動作中、メカニカルシール４２を介してモータ室３６内に漏れた液体水素Ｈ_２（Ｌ）は気化して、モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）内に拡散する。モータ室３６はガス経路Ｌ１を介して気相部Ｔ１Ｇに接続されているため、水素ガスＨ_２（Ｇ）はポンプシステム１の外部環境には漏洩しない。すなわち、ポンプシステム１は、メカニカルシール４２を備えるポンプ装置２を用いながら、水素（液体水素Ｈ_２（Ｌ）および水素ガスＨ_２（Ｇ））の無漏洩化を実現している。また、ポンプシステム１は前述されたポンプ装置２を備えるため、従来ポンプに発生するような流体摩擦損失や渦電流による損失が発生せず、低速回転から高速回転までの液体水素Ｈ_２（Ｌ）の運転に適応できる。

【0066】

さらに、以上説明した実施の形態によれば、ポンプシステム１は、モータ室３６に導入された水素ガスＨ_２（Ｇ）をパージするために用いられるヘリウムガスＨｅ（Ｇ）が貯留される第２貯留タンクＴ２と、ガス経路Ｌ１と、に接続されるパージガス経路Ｌ２を有してなる。パージガス経路Ｌ２は、管体部Ｌ２１および第３弁Ｖ３を備える。第１弁Ｖ１および第３弁Ｖ３は、モータ室３６に導入されるガスをパージガスと水素ガスＨ_２（Ｇ）との間で切り替える切替部として機能している。この構成によれば、第１弁Ｖ１が閉じられ、かつ、第３弁Ｖ３が開けられることにより、第２貯留タンクＴ２からのヘリウムガスＨｅ（Ｇ）が第１弁Ｖ１より下流側のガス経路Ｌ１およびモータ室３６内に導入される。その結果、同ガス経路Ｌ１およびモータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）は、ヘリウムガスＨｅ（Ｇ）によりパージされる。そのため、ポンプ装置２のメンテナンスなどの場面では、可燃性ガスである水素ガスＨ_２（Ｇ）が外部環境へ漏洩することなく、安全にポンプ装置２の取外しおよび分解が可能である。

【0067】

さらにまた、以上説明した実施の形態によれば、ポンプシステム１の運転方法は、事前準備ステップおよび液体水素送液ステップを含む。事前準備ステップは、液体水素導入ステップ、流路予冷ステップ、水素ガス導入ステップ、および送液流路予冷ステップを含む。この構成によれば、ポンプ装置２が液体水素Ｈ_２（Ｌ）の送液を開始する前に、ガス経路Ｌ１およびモータ室３６内は極低温の水素ガスＨ_２（Ｇ）雰囲気となり、吸込流路Ｌ３から吐出流路Ｌ４までの流路は液体水素Ｈ_２（Ｌ）により予冷される。したがって、ポンプ装置２が送液を開始してもモータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）雰囲気は急変せず、ポンプ装置２は液体水素Ｈ_２（Ｌ）を安定して送液できる。

【0068】

●変形例（１）●
次に、ポンプシステム１の変形例が、先に説明した第１実施形態と異なる点を中心に、以下に説明される。以下の変形例の説明において、説明の便宜上、第１実施形態と同じ部材、および、共通している機能を有する部材には、第１実施形態と同じ符号が付されている。以下の変形例において、図１および図２は、適宜参照される。

【0069】

●第１変形例
図３は、第１実施形態のポンプシステムの第１変形例を示す模式配管図である。

【0070】

ポンプシステム１Ａは、ポンプ装置２、第１貯留タンクＴ１、第２貯留タンクＴ２、ガス経路Ｌ１、パージガス経路Ｌ２、吸込流路Ｌ３、吸込弁Ｖ１１、吐出流路Ｌ４、および吐出弁Ｖ１２を有してなる。ガス経路Ｌ１は、管体部Ｌ１１、第１弁Ｖ１、バッファタンクＴ３、および第２弁Ｖ２を備える。

【0071】

管体部Ｌ１１は、第１管体部Ｌ１２および第２管体部Ｌ１３を備える。第１管体部Ｌ１２は、気相部Ｔ１ＧとバッファタンクＴ３とに接続される公知の管体である。第２管体部Ｌ１３は、バッファタンクＴ３とガス導入口３０ａとに接続される公知の管体である。第１管体部Ｌ１２は本発明における第１ガス経路の一例であり、第２管体部Ｌ１３は本発明における第２ガス経路の一例である。

【0072】

バッファタンクＴ３は、ガス経路Ｌ１において、水素ガスＨ_２（Ｇ）を一時的に貯留する。バッファタンクＴ３の設計圧力（容積）は、ガス経路Ｌ１におけるバッファタンクＴ３より下流側およびモータ室３６内の温度変動に基づく圧力変動を吸収可能な程度に大きく設定されている。バッファタンクＴ３は、管体部Ｌ１１において、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２との間に取り付けられている。

【0073】

この構成によれば、ポンプシステム１Ａの動作中、モータ室３６内の局所的な熱によりモータ室３６内の圧力が変動しても、同変動はバッファタンクＴ３に貯留されている水素ガスＨ_２（Ｇ）により抑制される。その結果、ポンプシステム１Ａの動作中、第１弁Ｖ１が閉じられて、ガス経路Ｌ１における第１弁Ｖ１より下流側およびモータ室３６内が閉じられた空間となっていても、モータ室３６内の圧力は安定する。また、本変形例におけるガス経路Ｌ１の容積は、第１実施形態におけるガス経路Ｌ１の容積よりもバッファタンクＴ３の容積分大きい。そのため、仮に、モータ室３６内の局所的な熱によりモータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）の温度が上昇しても、ガス経路Ｌ１内の水素ガスＨ_２（Ｇ）の温度の上昇は、第１実施形態よりも抑制される。したがって、モータ室３６内の圧力および温度の変動は、第１実施形態よりも安定する。したがって、第１変形例において、仮に、第１弁Ｖ１が開けられていても、モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）の温度上昇は、気相部Ｔ１Ｇへ伝達されない。

【0074】

●第２変形例
図４は、第１実施形態のポンプシステムの第２変形例を示す模式配管図である。

【0075】

ポンプシステム１Ｂは、ポンプ装置２、第１貯留タンクＴ１、第２貯留タンクＴ２、ガス経路Ｌ１、パージガス経路Ｌ２、吸込流路Ｌ３、吸込弁Ｖ１１、吐出流路Ｌ４、および吐出弁Ｖ１２を有してなる。ガス経路Ｌ１は、管体部Ｌ１１、第１弁Ｖ１、バッファタンクＴ３、および第２弁Ｖ２を備える。

【0076】

本変形例において、吐出流路Ｌ４の一部は、吐出流路Ｌ４内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）とバッファタンクＴ３内の水素ガスＨ_２（Ｇ）との間で熱交換されるように、バッファタンクＴ３に取り付けられている。すなわち、例えば、吐出流路Ｌ４の一部は、バッファタンクＴ３内を蛇行するように、バッファタンクＴ３に取り付けられている。その結果、バッファタンクＴ３および吐出流路Ｌ４の一部は、ポンプ装置２の吐出液（液体水素Ｈ_２（Ｌ））を冷媒とする熱交換器として機能している。

【0077】

この構成では、バッファタンクＴ３と熱交換器とが一体に構成されているため、ポンプ装置２の動作中、バッファタンクＴ３内の水素ガスＨ_２（Ｇ）は、常に冷却される。そのため、バッファタンクＴ３による圧力変動の抑制効果は、第１変形例よりも向上する。また、モータ室３６と共に閉じられた空間を形成し、相対的に大きな容積を有するバッファタンクＴ３内の水素ガスＨ_２（Ｇ）が冷却されるため、同空間内の水素ガスＨ_２（Ｇ）の冷却効率は良好で、ガス経路Ｌ１およびモータ室３６内の温度および圧力の上昇も抑制される。さらに、ガス経路Ｌ１に別途熱交換器を接続する必要がなく、水素ガスＨ_２（Ｇ）の漏洩の要因となり得る接続部の数が最小限に抑えられると共に、省スペース化が実現できる。

【0078】

なお、本変形例において、バッファタンクＴ３は熱交換器として機能せず、ポンプシステム１Ｂは、ガス経路Ｌ１内の水素ガスＨ_２（Ｇ）と、吐出流路Ｌ４内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）と、の間で熱交換させる熱交換器を別途備えていてもよい。この構成でも、ガス経路Ｌ１内の水素ガスＨ_２（Ｇ）は常に冷却されるため、モータ室３６内の温度および圧力の上昇は、第１変形例よりも抑制される。

【0079】

●ポンプシステム（２）●
次に、ポンプシステムの別の実施の形態（以下「第２実施形態」という。）が、第１実施形態、第１変形例、および第２変形例と異なる点を中心に、以下に説明される。以下の第２実施形態の説明において、説明の便宜上、第１実施形態、第１変形例、および第２変形例と同じ部材、および、共通している機能を有する部材には、第１実施形態、第１変形例、および第２変形例と同じ符号が付されている。また、以下の変形例において、図１および図２は、適宜参照される。

【0080】

●ポンプシステム（２）の構成
図５は、ポンプシステムの第２実施形態を示す模式配管図である。

【0081】

ポンプシステム１Ｃは、液体水素Ｈ_２（Ｌ）を送液する。ポンプシステム１Ｃは、ポンプ装置２Ａ、第１貯留タンクＴ１、第２貯留タンクＴ２、ガス経路Ｌ１、パージガス経路Ｌ２、吸込流路Ｌ３、吸込弁Ｖ１１、吐出流路Ｌ４、および吐出弁Ｖ１２を有してなる。

【0082】

ポンプ装置２Ａは、第１貯留タンクＴ１に接続されて、第１貯留タンクＴ１に貯留されている液体水素Ｈ_２（Ｌ）を送液する。ポンプ装置２Ａの構成については、後述される。

【0083】

ガス経路Ｌ１は、管体部Ｌ１１、第１弁Ｖ１、第２弁Ｖ２、第４弁Ｖ４、およびバッファタンクＴ３を備える。

【0084】

管体部Ｌ１１は、第１管体部Ｌ１２、第２管体部Ｌ１３、および第３管体部Ｌ１４を備える。第３管体部Ｌ１４は、バッファタンクＴ３と後述されるガス導出口３０ｂとに接続される公知の管体である。第３管体部Ｌ１４は、本発明における第３ガス経路の一例である。

【0085】

第４弁Ｖ４は、第３管体部Ｌ１４に接続され、第３管体部Ｌ１４を開閉する公知の弁（例えば、ゲート弁）である。第４弁Ｖ４は、例えば、第１弁Ｖ１と同じ金属製であり、第１弁Ｖ１と同じ断熱構造を有する。

【0086】

●ポンプ装置（２）の構成
図６は、本発明に係るポンプ装置（すなわち、ポンプ装置２Ａ）の別の実施の形態（以下「第２実施形態」という。）を示す模式断面図である。

【0087】

ポンプ装置２Ａは、モータ部３、ポンプ部４、温度センサ５、および圧力センサ６を備える。ポンプ装置２Ａの構成は、モータ部３が後述されるファン３７、ガス導出口３０ｂ、および隔壁３０ｃを備える点を除き、第１実施形態におけるポンプ装置２の構成と共通する。

【0088】

モータ部３は、筐体３０、回転軸３１、２つの軸受３２，３３、ロータ３４、ステータ３５、モータ室３６、およびファン３７を備える。

【0089】

筐体３０は、ガス導入口３０ａ、ガス導出口３０ｂ、および隔壁３０ｃを備える。

【0090】

ガス導入口３０ａは、例えば、筐体３０の後部に配置され、後述される第２モータ室３６ｂに開口している。ガス導入口３０ａには、ガス経路Ｌ１（第２管体部Ｌ１３）が接続されている。回転軸３１の軸方向において、ガス導入口３０ａは、モータＭよりも後側（回転軸３１の後端部３１ｂ側）に配置されている。

【0091】

ガス導出口３０ｂは、筐体３０を貫通する貫通孔である。ガス導出口３０ｂは、例えば、筐体３０の前部に配置され、後述される第１モータ室３６ａに開口している。ガス導出口３０ｂには、ガス経路Ｌ１（第３管体部Ｌ１４）が接続されている。回転軸３１の軸方向において、ガス導入口３０ａは、モータＭよりも前側（回転軸３１の前端部３１ａ側）に配置されている。

【0092】

隔壁３０ｃは、モータ室３６を、モータＭが収容されている第１モータ室３６ａと、ファン３７が収容されている第２モータ室３６ｂと、に区画する。第１モータ室３６ａは、第２モータ室３６ｂの前方に配置されている。隔壁３０ｃは、隔壁３０ｃを前後方向に貫通して、第１モータ室３６ａと第２モータ室３６ｂとを連通させる複数の通気孔３０ｄを備える。

【0093】

ファン３７は、モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）を流動させることにより、ガス経路Ｌ１とモータ室３６との間で水素ガスＨ_２（Ｇ）を循環させる。ファン３７は、例えば、ステンレス鋼製である。ファン３７は、第２モータ室３６ｂ内に突出している回転軸３１の後端部３１ｂに取り付けられ、第２モータ室３６ｂに収容されている。すなわち、ファン３７は、モータ室３６内に配置されている。ファン３７は、回転軸３１と共に回転し、水素ガスＨ_２（Ｇ）を前方へ流動させるように構成されている。

【0094】

●ポンプシステム（２）の動作
次に、ポンプシステム１Ｃの動作、すなわち、本発明に係るポンプシステム１Ｃの別の運転方法について、説明する。以下の説明において、図１、図２、図５、および図６は、適宜参照される。

【0095】

ポンプシステム１Ｃの動作の開始前（ポンプ装置２Ａの運転前）、第１弁Ｖ１、第３弁Ｖ３、吸込弁Ｖ１１、および吐出弁Ｖ１２は閉じられている。また、ガス経路Ｌ１における第１弁Ｖ１より下流側、モータ室３６、吸込流路Ｌ３における吸込弁Ｖ１１よりも下流側、吸込管部４４、ポンプ室４３、吐出管部４５、および吐出流路Ｌ４における吐出弁Ｖ１２よりも上流側内は、例えば、前述された真空ポンプにより真空雰囲気に保たれている。

【0096】

先ず、第１実施形態と同様に、事前準備ステップのうち、液体水素導入ステップおよび流路予冷ステップが実行される。

【0097】

次いで、第１弁Ｖ１、第２弁Ｖ２、および第４弁Ｖ４が開けられる。このとき、モータ室３６と気相部Ｔ１Ｇとはガス経路Ｌ１を介して連通し、気相部Ｔ１Ｇに貯留されている水素ガスＨ_２（Ｇ）がガス経路Ｌ１を介してモータ室３６に導入される（水素ガス導入ステップ）。その結果、モータ室３６の内部は水素ガスＨ_２（Ｇ）で満たされ、最終的に、ガス経路Ｌ１およびモータ室３６内の雰囲気は、気相部Ｔ１Ｇ内の雰囲気と平衡状態となる。すなわち、ガス経路Ｌ１およびモータ室３６内は、水素ガスＨ_２（Ｇ）により極低温に冷却され、安定した水素ガスＨ_２（Ｇ）雰囲気となっている。

【0098】

次いで、吐出弁Ｖ１２が開けられ、ポンプ装置２Ａが動作し、インペラ４１が回転することにより、ポンプ室４３内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）が吐出管部４５を介して吐出流路Ｌ４に吐出される。その結果、吐出流路Ｌ４（主に吐出弁Ｖ１２よりも下流側）内は、液体水素Ｈ_２（Ｌ）の温度まで冷却される（送液流路予冷ステップ）。同時に、回転軸３１の回転に伴いファン３７が回転することにより、第２モータ室３６ｂ内の水素ガスＨ_２（Ｇ）が第１モータ室３６ａ内へ流動される。その結果、モータ室３６内において、ガス導入口３０ａから第２モータ室３６ｂ内へ導入された水素ガスＨ_２（Ｇ）が後方から前方へと流動され、ガス導出口３０ｂから第３管体部Ｌ１４へと流出されることにより、水素ガスＨ_２（Ｇ）はモータ室３６からバッファタンクＴ３へ戻される（循環開始ステップ）。このとき、ポンプ装置２Ａによる液体水素Ｈ_２（Ｌ）の送液が可能となる（事前準備ステップにおける各動作が完了する）。その後、液体水素Ｈ_２（Ｌ）の送液が開始される（液体水素送液ステップ）。このとき、第１弁Ｖ１が閉じられ、モータ室３６は気相部Ｔ１Ｇと遮断される。その結果、ガス経路Ｌ１における第１弁Ｖ１よりも下流側およびモータ室３６内の雰囲気は所定の水素ガスＨ_２（Ｇ）雰囲気に維持されている。

【0099】

このとき、第１弁Ｖ１は閉じられているため、ガス経路Ｌ１における第１弁Ｖ１より下流側およびモータ室３６内は、水素ガスＨ_２（Ｇ）雰囲気の閉じられた空間（気相空間）となっている。そして、バッファタンクＴ３、第２管体部Ｌ１３、ガス導入口３０ａ、第２モータ室３６ｂ、通気孔３０ｄ、第１モータ室３６ａ、ガス導出口３０ｂ、および第３管体部Ｌ１４により、水素ガスＨ_２（Ｇ）が循環される循環経路ＬＲが構成されている。前述のとおり、循環経路ＬＲにおける水素ガスＨ_２（Ｇ）は、ファン３７により循環される。この構成では、モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）は、筐体３０，４０および回転軸３１を介してポンプ室４３内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）により冷却され、循環経路ＬＲ内を循環されることにより、循環経路ＬＲ内における水素ガスＨ_２（Ｇ）の雰囲気は熱的および圧力的に平衡状態となる。そのため、モータ室３６内の温度は、第１実施形態におけるモータ室３６内の温度よりも低温に保たれる。また、ファン３７からの風がモータＭに直接吹き付けられるため、モータＭは、第１実施形態よりも冷却される。

【0100】

なお、第２実施形態において、ポンプシステム１Ｃは、第１実施形態および第１実施形態の第１変形例におけるポンプシステム１，１Ａと共通する構成を有している。そのため、ポンプシステム１，１Ａにおいて得られる効果は、ポンプシステム１Ｃにおいても同様に得られる。

【0101】

●まとめ（２）●
以上説明した実施の形態によれば、ポンプシステム１Ｃは、第１実施形態におけるポンプシステム１と共通する構成、および、モータ室３６とバッファタンクＴ３との間で水素ガスＨ_２（Ｇ）を循環させるファン３７を有してなる。筐体３０は、モータ室３６に導入された水素ガスＨ_２（Ｇ）をガス経路Ｌ１に導出するガス導出口３０ｂを備える。ガス経路Ｌ１は、ガス導出口３０ｂとバッファタンクＴ３とに接続される第３管体部Ｌ１４を備える。この構成によれば、ファン３７の動作により、ガス導入口３０ａからモータ室３６内に導入された水素ガスＨ_２（Ｇ）は、ガス導出口３０ｂから第３管体部Ｌ１４に導出され、バッファタンクＴ３に戻され、第２管体部Ｌ１３およびガス導入口３０ａを介して再びモータ室３６内に導入される。その結果、モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）は、ポンプ室４３内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）により冷却され、モータ室３６内に留まることなく、モータ室３６とバッファタンクＴ３との間を循環される。したがって、モータ室３６およびバッファタンクＴ３内の水素ガスＨ_２（Ｇ）の雰囲気は第１実施形態よりも熱的および圧力的に平衡し、モータ室３６内の温度は第１実施形態よりも低温に保たれる。

【0102】

また、以上説明した実施の形態によれば、ファン３７は、回転軸３１に取り付けられ、ガス導入口３０ａから導入された水素ガスＨ_２（Ｇ）をガス導出口３０ｂに向けて流動させる。この構成によれば、ファン３７の収容および回転のための特別な機構が不要となり、モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）の流動が容易となる。

【0103】

さらに、以上説明した実施の形態によれば、回転軸３１の軸方向において、ファン３７は、回転軸３１の後端部３１ｂに取り付けられている。筐体３０は、モータＭが収容される第１モータ室３６ａと、ファン３７が収容される第２モータ室３６ｂと、を区画する隔壁３０ｃを備える。隔壁３０ｃは、第１モータ室３６ａと第２モータ室３６ｂとを連通させる通気孔３０ｄを備える。ガス導入口３０ａは、第２モータ室３６ｂに開口している。ガス導出口３０ｂは、第１モータ室３６ａに開口し、回転軸３１の軸方向において、モータＭよりも前端部３１ａ側に配置されている。この構成によれば、バッファタンクＴ３、第２管体部Ｌ１３、ガス導入口３０ａ、第２モータ室３６ｂ、通気孔３０ｄ、第１モータ室３６ａ、ガス導出口３０ｂ、および第３管体部Ｌ１４により、水素ガスＨ_２（Ｇ）が循環される循環経路ＬＲが構成される。モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）はポンプ室４３内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）により冷却され、循環経路ＬＲ内を循環されることにより、循環経路ＬＲ内の雰囲気は熱的および圧力的に平衡状態となる。そのため、モータ室３６内の温度は、第１実施形態よりも低温に保たれる。また、ファン３７からの風がモータＭに直接吹き付けられるため、モータＭは第１実施形態よりも冷却される。

【0104】

さらにまた、以上説明した実施の形態によれば、ポンプシステム１Ｃの運転方法は、事前準備ステップおよび液体水素送液ステップを含む。事前準備ステップは、液体水素導入ステップ、流路予冷ステップ、水素ガス導入ステップ、送液流路予冷ステップ、および循環開始ステップを含む。この構成によれば、ポンプ装置２Ａが液体水素Ｈ_２（Ｌ）の送液を開始する前に、ガス経路Ｌ１およびモータ室３６内は極低温の水素ガスＨ_２（Ｇ）雰囲気となり、吸込流路Ｌ３から吐出流路Ｌ４までの流路は液体水素Ｈ_２（Ｌ）により予冷される。また、モータ室３６内の温度は第１実施形態におけるモータ室３６内の温度よりも低温に保たれる。したがって、ポンプ装置２Ａが送液を開始してもモータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ）雰囲気は急変せず、ポンプ装置２Ａは液体水素Ｈ_２（Ｌ）を安定して送液できる。

【0105】

なお、第２実施形態において、ファン３７の配置は、回転軸３１の後端部３１ｂ側に限定されない。すなわち、例えば、ファン３７は、モータ室３６内における前端部３１ａ側（例えば、回転軸３１の軸方向において、モータＭと軸受３２との間）に配置されていてもよい。また、例えば、ファン３７は、回転軸３１ではなく、ファン３７専用のファン回転軸（不図示）に取り付けられていてもよい。さらに、例えば、ファン３７は、ガス経路Ｌ１に備えられ、第２管体部Ｌ１３または第３管体部Ｌ１４に接続されていてもよい。

【0106】

また、第２実施形態において、筐体３０は、隔壁３０ｃを備えていなくてもよい。

【0107】

さらに、第２実施形態において、ガス導入口３０ａおよびガス導出口３０ｂの位置は、モータ室３６とバッファタンクＴ３との間で水素ガスＨ_２（Ｇ）が循環可能な位置であればよく、第２実施形態において説明された位置に限定されない。

【0108】

さらにまた、第２実施形態において、ポンプシステム１Ｃは、バッファタンクＴ３を備えていなくてもよい。

【0109】

●変形例（２）●
次に、ポンプシステム１Ｃの変形例が、先に説明した第２実施形態と異なる点を中心に、以下に説明される。以下の変形例の説明において、説明の便宜上、第２実施形態と同じ部材、および、共通している機能を有する部材には、第２実施形態と同じ符号が付されている。また、以下の変形例において、図１、図２、図５、および図６は、適宜参照される。

【0110】

●第１変形例
図７は、第２実施形態のポンプシステムの第１変形例を示す模式配管図である。

【0111】

ポンプシステム１Ｄは、ポンプ装置２Ａ、第１貯留タンクＴ１、第２貯留タンクＴ２、ガス経路Ｌ１、パージガス経路Ｌ２、吸込流路Ｌ３、吸込弁Ｖ１１、吐出流路Ｌ４、および吐出弁Ｖ１２を有してなる。

【0112】

本変形例において、吐出流路Ｌ４の一部は、吐出流路Ｌ４内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）とバッファタンクＴ３内の水素ガスＨ_２（Ｇ）との間で熱交換されるように、バッファタンクＴ３に取り付けられている。その結果、バッファタンクＴ３および吐出流路Ｌ４の一部は、ポンプ装置２Ａの吐出液（液体水素Ｈ_２（Ｌ））を冷媒とする熱交換器として機能している。

【0113】

この構成では、ポンプ装置２Ａの動作中、バッファタンクＴ３内の水素ガスＨ_２（Ｇ）は、常に冷却される。そのため、バッファタンクＴ３による圧力変動の抑制効果は、第２実施形態よりも向上する。また、モータ室３６と共に閉じた循環経路ＬＲを構成しているバッファタンクＴ３内の水素ガスＨ_２（Ｇ）が冷却されるため、モータ室３６内の温度および圧力の上昇もさらに抑制される。

【0114】

●第２変形例
図８は、第２実施形態のポンプシステムの第２変形例を示す模式配管図である。

【0115】

ポンプシステム１Ｅは、ポンプ装置２Ａ、第１貯留タンクＴ１、第２貯留タンクＴ２、ガス経路Ｌ１、パージガス経路Ｌ２、吸込流路Ｌ３、吸込弁Ｖ１１、吐出流路Ｌ４、吐出弁Ｖ１２、および熱交換器ＨＥを有してなる。

【0116】

熱交換器ＨＥは、第３管体部Ｌ１４および吐出流路Ｌ４に取り付けられて、第３管体部Ｌ１４内の水素ガスＨ_２（Ｇ）と吐出流路Ｌ４内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）との間で熱交換を行う。すなわち、熱交換器ＨＥは、ポンプ装置２Ａの吐出液（液体水素Ｈ_２（Ｌ））を冷媒として、第３管体部Ｌ１４内の水素ガスＨ_２（Ｇ）を冷却する。

【0117】

この構成では、ポンプ装置２Ａの動作中、熱交換器ＨＥが取り付けられている第３管体部Ｌ１４内の水素ガスＨ_２（Ｇ）は常に冷却され、バッファタンクＴ３に送られる。すなわち、モータ室３６からバッファタンクＴ３に戻される水素ガスＨ_２（Ｇ）は常に冷却されている。そのため、第２実施形態の第１変形例におけるバッファタンクＴ３による圧力変動の抑制効果と同等の効果が得られる。また、モータ室３６と共に閉じた循環経路ＬＲを構成している第３管体部Ｌ１４内の水素ガスＨ_２（Ｇ）が冷却されるため、モータ室３６内の温度および圧力の上昇も第２実施形態の第１変形例と同様に抑制される。

【0118】

なお、本変形例において、熱交換器ＨＥは、第２管体部Ｌ１３に取り付けられていてもよい。

【0119】

●第３変形例
図９は、第２実施形態のポンプシステムの第３変形例を示す模式配管図である。

【0120】

ポンプシステム１Ｆは、ポンプ装置２Ａ、第１貯留タンクＴ１、第２貯留タンクＴ２、ガス経路Ｌ１、パージガス経路Ｌ２、吸込流路Ｌ３、吸込弁Ｖ１１、吐出流路Ｌ４、および吐出弁Ｖ１２を有してなる。

【0121】

筐体３０は、ガス導入口３０ａ、ガス導出口３０ｂ、隔壁３０ｃ、外壁３０ｅ、および案内流路３０ｆを備える。

【0122】

外壁３０ｅは、モータ室３６を区画する筐体３０の外殻部分である。外壁３０ｅの一部は、中空の二重構造であり、案内流路３０ｆを形成している。すなわち、案内流路３０ｆは、外壁３０ｅ内に配置されている。また、外壁３０ｅの一部は外側に突出して、吐出管部３０ｇを構成している。すなわち、第３変形例において、吐出管部３０ｇおよび吐出口３０ｈは、モータ部３側に配置されている。吐出管部３０ｇは、案内流路３０ｆと連通している。

【0123】

吸込管部４４および吸込口４４ａは、第１実施形態と同様にポンプ部４側に配置されている。筐体４０は、外壁４０ａおよび案内流路４０ｂを備える。

【0124】

外壁４０ａは、ポンプ室４３を区画する筐体４０の外殻部分である。外壁４０ａの一部は、中空の二重構造であり、案内流路４０ｂを構成している。すなわち、案内流路４０ｂは、外壁４０ａ内に配置されている。案内流路４０ｂは、ポンプ室４３と案内流路３０ｆとに連通している。したがって、ポンプ室４３内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）は、案内流路４０ｂ、案内流路３０ｆ、吐出管部３０ｇ、吐出口３０ｈを介して、吐出流路Ｌ４に送液される。

【0125】

第３管体部Ｌ１４の上流側（ガス導出口３０ｂ側）の一部は、第３管体部Ｌ１４内の水素ガスＨ_２（Ｇ）と案内流路３０ｆ，４０ｂ内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）との間で熱交換可能に、筐体３０，４０に取り付けられている。すなわち、例えば、第３管体部Ｌ１４の一部は、案内流路３０ｆ，４０ｂ内を蛇行するように配置されている。その結果、筐体３０，４０および第３管体部Ｌ１４（ガス経路Ｌ１）の一部は、ポンプ装置２Ａの吐出前の液体水素Ｈ_２（Ｌ）を冷媒とする熱交換器として機能している。第３管体部Ｌ１４（ガス経路Ｌ１）の一部は、本発明における熱交換経路の一例である。

【0126】

この構成では、ポンプ装置２Ａの動作中、第３管体部Ｌ１４内の水素ガスＨ_２（Ｇ）は第２実施形態の第２変形例と同様に常に冷却され、バッファタンクＴ３に送られる。すなわち、モータ室３６からバッファタンクＴ３に戻される水素ガスＨ_２（Ｇ）は常に冷却されている。そのため、第２実施形態の第１変形例におけるバッファタンクＴ３による圧力変動の抑制効果と同等の効果が得られる。また、モータ室３６と共に閉じた循環経路ＬＲを構成している第３管体部Ｌ１４内の水素ガスＨ_２（Ｇ）が冷却されるため、モータ室３６内の温度および圧力の上昇も第２実施形態の第１変形例と同様に抑制される。さらに、ポンプ装置２Ａが熱交換器としても機能しているため、別途、熱交換器用の接続および配管が不要となる。

【0127】

なお、本変形例において、第３管体部Ｌ１４の上流側（ガス導出口３０ｂ側）の一部は、第３管体部Ｌ１４内の水素ガスＨ_２（Ｇ）と案内流路３０ｆ，４０ｂ内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）との間で熱交換可能に、筐体３０，４０に取り付けられていればよく、案内流路３０ｆ，４０ｂ内に配置されていなくてもよい。すなわち、例えば、第３管体部Ｌ１４の上流側（ガス導出口３０ｂ側）の一部は、案内流路３０ｆ，４０ｂを構成している外壁３０ｅ，４０ａの外面に取り付けられていてもよい。

【0128】

また、本変形例において、ガス経路Ｌ１は、案内流路３０ｆ，４０ｂではない別の位置において、水素ガスＨ_２（Ｇ）と液体水素Ｈ_２（Ｌ）との間で熱交換可能に構成されていてもよい。すなわち、例えば、本変形例において、第２実施形態の第１変形例または第２変形例のように、バッファタンクＴ３または熱交換器ＨＥにおいて、水素ガスＨ_２（Ｇ）と液体水素Ｈ_２（Ｌ）との間の熱交換が実行されていてもよい。この場合、案内流路３０ｆ，４０ｂは、筐体３０（モータ室３６内の水素ガスＨ_２（Ｇ））の冷却に用いられる。

【0129】

●その他の実施形態●
なお、第１実施形態および第２実施形態において、ポンプシステム１，１Ｃはポンプ装置２，２Ａおよびガス経路Ｌ１を備えていればよく、ポンプシステム１，１Ｃの構成は、第１実施形態および第２実施形態に説明された構成に限定されない。すなわち、例えば、本発明に係るポンプシステムは、第１貯留タンクＴ１、第２貯留タンクＴ２、パージガス経路Ｌ２、吸込流路Ｌ３、および／または、吐出流路Ｌ４を備えず、これらを備えている設備に接続されていてもよい。

【0130】

また、第１実施形態および第２実施形態において、ポンプシステム１，１Ｃは、例えば、ガス経路Ｌ１に接続されている真空ポンプおよび排出経路を備えていてもよい。

【0131】

さらに、各変形例において、熱交換器として機能しているバッファタンクＴ３および熱交換器ＨＥは、ガス経路Ｌ１内の水素ガスＨ_２（Ｇ）と、吐出流路Ｌ４内の液体水素Ｈ_２（Ｌ）と、の間で熱交換可能に構成されていればよく、これらの構成は、各変形例に限定されない。

【0132】

さらにまた、第１実施形態および第２実施形態において、ポンプ装置２，２Ａは、インペラ４１よりも吸込口４４ａ側に配置されるインデューサを備えていてもよい。

【0133】

さらにまた、第１実施形態および第２実施形態において、第１弁Ｖ１は、ポンプ装置２の動作中、モータ室３６内の状態（温度および圧力）に基づいて、開けられていてもよく、あるいは、開閉されていてもよい。すなわち、例えば、モータ室３６内の温度（圧力）が上昇したとき第１弁Ｖ１は開けられ、同温度（圧力）が低下（平衡）したとき第１弁Ｖ１は閉じられる。

【0134】

さらにまた、第１実施形態および第２実施形態において、モータＭは、ロータ３４が永久磁石を備える永久磁石界磁型モータでもよい。この場合、ポンプ装置２，２Ａは、ロータ３４を覆い、ロータ３４を水素ガスＨ_２（Ｇ）から隔離する保護部材（例えば、ステンレス鋼製の保護部材）を備える。この構成では、水素ガスＨ_２（Ｇ）による永久磁石の脆化が防止される。

【0135】

さらにまた、第１実施形態、第２実施形態、および各変形例において、各管体および各弁の構成は、モータ室３６内に気相部Ｔ１Ｇからの水素ガスＨ_２（Ｇ）を導入可能、かつ、ポンプ室４３内に液相部Ｔ１Ｌからの液体水素Ｈ_２（Ｌ）を導入可能な構成であればよく、第１実施形態、第２実施形態、および各変形例において記載された構成に限定されない。

【0136】

さらにまた、第１実施形態、第２実施形態、および各変形例の構成は、相互に組み合わせられてもよい。

【0137】

●本発明の実施態様●
次に、以上説明した各実施形態から把握される本発明の実施態様について、各実施形態において記載された用語と符号とを援用しつつ、以下に記載する。

【0138】

本発明の第１の実施態様は、液体水素（例えば、液体水素Ｈ_２（Ｌ））と、前記液体水素が気化した水素ガス（例えば、水素ガスＨ_２（Ｇ））と、が貯留される貯留タンク（例えば、第１貯留タンクＴ１）に接続され、前記液体水素を送液するポンプ装置（例えば、ポンプ装置２，２Ａ）であって、回転軸（例えば、回転軸３１）と、前記回転軸を回転させるモータ（例えば、モータＭ）と、前記回転軸の軸方向において、前記回転軸の一端部（例えば、前端部３１ａ）に取り付けられるインペラ（例えば、インペラ４１）と、前記モータが収容されるモータ室（例えば、モータ室３６）と、前記インペラが収容されるポンプ室（例えば、ポンプ室４３）と、を有する筐体（例えば、筐体３０，４０）と、前記回転軸と前記筐体とに取り付けられ、前記ポンプ室に対して前記モータ室をシールするメカニカルシール（例えば、メカニカルシール４２）と、を有してなり、前記モータは、前記回転軸に取り付けられるロータ（例えば、ロータ３４）と、前記回転軸の径方向において前記ロータに直接対向し、前記ロータを回転させるステータ（例えば、ステータ３５）と、を備え、前記モータ室には、前記水素ガスが導入される。
この構成によれば、ポンプ装置は、メカニカルシールを用いながら、水素（液体水素および水素ガス）の無漏洩化を実現すると共に、低速回転から高速回転までの運転に適応できる。

【0139】

本発明の第２の実施態様は、第１の実施態様に記載のポンプ装置であって、前記筐体は、前記貯留タンクのうち、前記水素ガスが貯留される気相部（例えば、気相部Ｔ１Ｇ）に接続されるガス経路（例えば、ガス経路Ｌ１）に接続されるガス導入口（例えば、ガス導入口３０ａ）を備え、前記モータ室には、前記ガス導入口を介して、前記水素ガスが導入される。
この構成によれば、モータ室はガス経路を介して気相部に接続されているため、水素ガスはポンプシステムの外部環境には漏洩しない。

【0140】

本発明の第３の実施態様は、第２の実施態様に記載のポンプ装置（例えば、ポンプ装置２Ａ）であって、前記筐体は、前記ポンプ室と前記モータ室それぞれと前記筐体の外部環境とを区画する外壁（例えば、外壁３０ｅ，４０ａ）と、前記筐体の前記ポンプ室側に配置され、前記貯留タンクからの前記液体水素を前記ポンプ室に吸込む吸込口（例えば、吸込口４４ａ）と、前記筐体の前記モータ室側に配置され、前記ポンプ室からの前記液体水素を吐出する吐出口（例えば、吐出口４５ａ）と、前記外壁内に配置され、前記ポンプ室からの前記液体水素を前記吐出口に案内する案内流路（例えば、案内流路３０ｆ，４０ｂ）と、を備える。
この構成によれば、案内流路内を案内される液体水素により、筐体（モータ室内の水素ガス）は冷却される。

【0141】

本発明の第４の実施態様は、第３の実施態様に記載のポンプ装置であって、前記ガス経路の一部を構成する熱交換経路を有してなり、前記熱交換経路は、前記熱交換経路内の前記水素ガスと、前記案内流路内の前記液体水素と、の間で熱交換可能に配置される。
この構成によれば、ポンプ装置の動作中、第３管体部内の水素ガスは常に冷却され、バッファタンクに送られる。そのため、バッファタンクによる圧力変動の抑制効果は向上する。

【0142】

本発明の第５の実施態様は、第２乃至第４のいずれか１の実施態様に記載のポンプ装置であって、前記モータ室に配置されるファン（例えば、ファン３７）を有してなり、前記筐体は、前記モータ室に導入された前記水素ガスを前記ガス経路に導出するガス導出口（例えば、ガス導出口３０ｂ）を備え、前記ファンは、前記ガス導入口から前記モータ室に導入された前記水素ガスを前記ガス導出口に向けて流動させる。
この構成によれば、モータ室内の水素は、ポンプ室内の液体水素により冷却され、モータ室内に留まることなく循環される。その結果、モータ室およびバッファタンク内の水素ガスは熱的および圧力的に平衡し、モータ室内の温度は低温に保たれる。

【0143】

本発明の第６の実施態様は、第１の実施態様に記載のポンプ装置であって、前記モータは、前記ロータ（例えば、ロータ３４）が永久磁石を備える永久磁石界磁型モータであり、前記ロータを覆い、前記ロータを前記水素ガスから隔離する保護部材を備える。
この構成によれば、水素ガスによる永久磁石の脆化が防止される。

【0144】

本発明の第７の実施態様は、液体水素（例えば、液体水素Ｈ_２（Ｌ））と、前記液体水素が気化した水素ガス（例えば、水素ガスＨ_２（Ｇ））と、が貯留される貯留タンク（例えば、第１貯留タンクＴ１）に接続され、前記液体水素を送液するポンプシステム（例えば、ポンプシステム１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｄ，１Ｆ）であって、前記液体水素を吸込み、吐出するポンプ装置（例えば、ポンプ装置２，２Ａ）と、前記貯留タンクのうち、前記水素ガスが貯留される気相部（例えば、気相部Ｔ１Ｇ）に接続されるガス経路（例えば、ガス経路Ｌ１）と、を有してなり、前記ポンプ装置は、回転軸（例えば、回転軸３１）と、前記回転軸を回転させるモータ（例えば、モータＭ）と、前記回転軸の軸方向において、前記回転軸の一端部（例えば、前端部３１ａ）に取り付けられるインペラ（例えば、インペラ４１）と、前記モータが収容されるモータ室（例えば、モータ室３６）と、前記インペラが収容されるポンプ室（例えば、ポンプ室４３）と、を有する筐体（例えば、筐体３０，４０）と、前記回転軸と前記筐体とに取り付けられ、前記ポンプ室に対して前記モータ室をシールするメカニカルシール（例えば、メカニカルシール４２）と、を備え、前記モータは、前記回転軸に取り付けられるロータ（例えば、ロータ３４）と、前記回転軸の径方向において前記ロータに直接対向し、前記ロータを回転させるステータ（例えば、ステータ３５）と、を備え、前記筐体は、前記ガス経路に接続されるガス導入口（例えば、ガス導入口３０ａ）を備え、前記モータ室には、前記ガス経路と前記ガス導入口とを介して、前記水素ガスが導入される。
この構成によれば、ポンプシステムは、メカニカルシールを備えるポンプ装置を用いながら、水素の無漏洩化を実現すると共に、低速回転から高速回転までの液体水素の送液に適応できる。

【0145】

本発明の第８の実施態様は、第７の実施態様に記載のポンプシステム（例えば、ポンプシステム１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｄ，１Ｆ）であって、前記ガス経路は、前記水素ガスを一時的に貯留するバッファタンク（例えば、バッファタンクＴ３）と、前記バッファタンクと前記気相部とに接続される第１ガス経路（例えば、第１管体部Ｌ１２）と、前記バッファタンクと前記ガス導入口とに接続される第２ガス経路（例えば、第２管体部Ｌ１３）と、前記第１ガス経路に接続され、前記第１ガス経路を開閉する開閉弁（例えば、第１弁Ｖ１）と、を備える。
この構成によれば、ポンプシステムの動作中、軸受やステータからの局所的な熱によりモータ室内の圧力が変動しても、同変動はバッファタンクに貯留されている水素ガスにより抑制される。また、局所的な熱によりモータ室内の水素ガスの温度が上昇しても、ガス経路およびモータ室内の水素ガスの温度の上昇は、抑制される。

【0146】

本発明の第９の実施態様は、第８の実施態様に記載のポンプシステム（例えば、ポンプシステム１Ｂ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ）であって、前記筐体に備えられ前記ポンプ室からの前記液体水素を吐出する吐出口（例えば、吐出口４５ａ）、に接続される吐出流路（例えば、吐出流路Ｌ４）と、前記ガス経路内の前記水素ガスと、前記吐出流路内の前記液体水素と、の間で熱交換させる熱交換器（例えば、バッファタンクＴ３、熱交換器ＨＥ）と、を有してなる。
この構成によれば、局所的な熱によりモータ室内の水素ガスの温度が上昇しても、ガス経路およびモータ室内の水素ガスの温度の上昇は、抑制される。

【0147】

本発明の第１０の実施態様は、第９の実施態様に記載のポンプシステム（例えば、ポンプシステム１Ｂ，１Ｄ）であって、前記吐出流路は、前記吐出流路内を流れる前記液体水素と、前記バッファタンク内の前記水素ガスと、の間で熱交換可能に配置され、前記バッファタンクは、前記熱交換器として機能する。
この構成によれば、ポンプ装置の動作中、バッファタンク内の水素ガスは、常に冷却される。その結果、ガス経路およびモータ室内の温度および圧力の上昇は、さらに抑制される。

【0148】

本発明の第１１の実施態様は、第７の実施態様に記載のポンプシステム（例えば、ポンプシステム１Ｆ）であって、前記筐体は、前記ポンプ室と前記モータ室それぞれを区画する外壁（例えば、外壁３０ｅ，４０ａ）と、前記筐体の前記ポンプ室側に配置され、前記貯留タンクからの前記液体水素を前記ポンプ室に吸込む吸込口と、前記筐体の前記モータ室側に配置され、前記ポンプ室からの前記液体水素を吐出する吐出口と、前記外壁内に配置され、前記ポンプ室からの前記液体水素を前記吐出口に案内する案内流路（例えば、案内流路３０ｆ，４０ｂ）と、を備える。
この構成によれば、案内流路内を案内される液体水素により、筐体（モータ室内の水素ガス）は冷却される。

【0149】

本発明の第１２の実施態様は、第１１の実施態様に記載のポンプシステムであって、前記ガス経路は、前記ポンプ装置に取り付けられる熱交換経路を備え、前記熱交換経路は、前記熱交換経路内の前記水素ガスと、前記案内流路内の前記液体水素と、の間で熱交換可能に配置される。
この構成によれば、ポンプ装置の動作中、第３管体部内の水素ガスは常に冷却され、バッファタンクに送られる。そのため、バッファタンクによる圧力変動の抑制効果は向上する。

【0150】

本発明の第１３の実施態様は、第７乃至第１２の実施態様のいずれか１に記載のポンプシステムであって、前記モータ室と前記ガス経路との間で前記水素ガスを循環させるファン（例えば、ファン３７）を有してなり、前記筐体は、前記モータ室に導入された前記水素ガスを前記ガス経路に導出するガス導出口を備え、前記ガス経路は、前記ガス導出口に接続される第３ガス経路（例えば、第３管体部Ｌ１４）を備える。
この構成によれば、モータ室内の水素は、ポンプ室内の液体水素により冷却され、モータ室内に留まることなく循環される。その結果、モータ室およびバッファタンク内の水素ガスは熱的および圧力的に平衡し、モータ室内の温度は低温に保たれる。

【0151】

本発明の第１４の実施態様は、第１３の実施態様に記載のポンプシステムであって、前記ファンは、前記回転軸に取り付けられ、前記ガス導入口から導入された前記水素ガスを前記ガス導出口に向けて流動させる。
この構成によれば、ファンの収容および回転のための特別な機構が不要となり、モータ室内の水素ガスの流動が容易となる。

【0152】

本発明の第１５の実施態様は、第１４の実施態様に記載のポンプシステムであって、前記ファンは、前記軸方向において、前記回転軸の他端部（例えば、後端部３１ｂ）に取り付けられ、前記筐体（例えば、筐体３０）は、前記モータが収容される第１モータ室（例えば、第１モータ室３６ａ）と、前記ファンが収容される第２モータ室（例えば、第２モータ室３６ｂ）と、を区画する隔壁（例えば、隔壁３０ｃ）を備え、前記隔壁は、前記第１モータ室と前記第２モータ室とを連通させる通気孔（例えば、通気孔３０ｄ）を備え、前記ガス導入口は、前記第２モータ室に開口し、前記ガス導出口は、前記第１モータ室に開口し、前記軸方向において、前記モータよりも前記一端部側に配置される。
この構成によれば、水素ガスが循環される循環経路が構成される。モータ室内の水素ガスはポンプ室内の液体水素により冷却され、循環経路内を循環されることにより、循環経路内の雰囲気は熱的および圧力的に平衡状態となる。

【0153】

本発明の第１６の実施態様は、第７の実施態様に記載のポンプシステムであって、前記モータ室に導入された前記水素ガスをパージするために用いられるパージガス（例えば、ヘリウムガスＨｅ（Ｇ））が貯留されるパージガスタンク（例えば、第２貯留タンクＴ２）と、前記ガス経路と、に接続されるパージガス経路（例えば、パージガス経路Ｌ２）と、前記モータ室に導入されるガスを前記パージガスと前記水素ガスとの間で切り替える切替部（例えば、第１弁Ｖ１、第２弁Ｖ２）と、を有してなる。
この構成によれば、ポンプ装置のメンテナンスなどの場面では、可燃性ガスである水素ガスが外部環境へ漏洩することなく、安全にポンプ装置の取外しおよび分解が可能である。

【0154】

本発明の第１７の実施態様は、液体水素（例えば、液体水素）と、前記液体水素が気化した水素ガス（例えば、水素ガス）と、が貯留される貯留タンク（例えば、第１貯留タンクＴ１）に接続され、前記液体水素を送液するポンプシステム（例えば、ポンプシステム１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ）の運転方法であって、前記ポンプシステムは、前記液体水素を吸込み、吐出するポンプ装置（例えば、ポンプ装置２，２Ａ）と、前記貯留タンクのうち、前記水素ガスが貯留される気相部（例えば、気相部Ｔ１Ｇ）に接続されるガス経路（例えば。ガス経路Ｌ１）と、を備え、前記ポンプ装置は、回転軸（例えば、回転軸３１）と、前記回転軸を回転させるモータ（例えば、モータＭ）と、前記回転軸の軸方向において、前記回転軸の一端部（例えば、前端部３１ａ）に取り付けられるインペラ（例えば、インペラ４１）と、前記モータが収容されるモータ室（例えば、モータ室３６）と、前記インペラが収容されるポンプ室（例えば、ポンプ室４３）と、を有する筐体（例えば、筐体３０，４０）と、前記回転軸と前記筐体とに取り付けられ、前記ポンプ室に対して前記モータ室をシールするメカニカルシール（例えば、メカニカルシール４２）と、を備え、前記モータは、前記回転軸に取り付けられるロータ（例えば、ロータ３４）と、前記回転軸の径方向において前記ロータに直接対向し、前記ロータを回転させるステータ（例えば、ステータ３５）と、を備え、前記ポンプ装置が送液可能となるまでの準備を行う事前準備ステップと、前記ポンプ室から前記液体水素を吐出するステップと、を含み、前記事前準備ステップは、前記ポンプ室に前記液体水素を導入するステップと、前記ガス経路を介して前記モータ室に前記水素ガスを導入するステップと、を含む。
この構成によれば、メカニカルシールを備えるポンプ装置において、水素の無漏洩化が実現できると共に、低速回転から高速回転までの液体水素の安定した送液が可能となる。

【符号の説明】

【0155】

１ ポンプシステム（第１実施形態）
１Ａ ポンプシステム（第１実施形態の第１変形例）
１Ｂ ポンプシステム（第１実施形態の第２変形例）
１Ｃ ポンプシステム（第２実施形態）
１Ｄ ポンプシステム（第２実施形態の第１変形例）
１Ｅ ポンプシステム（第２実施形態の第２変形例）
１Ｆ ポンプシステム（第２実施形態の第３変形例）
２ ポンプ装置（第１実施形態）
２Ａ ポンプ装置（第２実施形態）
３ モータ部
３０ 筐体
３０ａ ガス導入口
３０ｂ ガス導出口
３０ｃ 隔壁
３０ｄ 通気孔
３０ｅ 外壁
３０ｆ 案内流路
３１ 回転軸
３１ａ 前端部（一端部）
３１ｂ 後端部（他端部）
３４ ロータ
３５ ステータ
３６ モータ室
３６ａ 第１モータ室
３６ｂ 第２モータ室
４ ポンプ部
４０ 筐体
４０ａ 外壁
４０ｂ 案内流路
４１ インペラ
４２ メカニカルシール
４３ ポンプ室
ＨＥ 熱交換器
Ｌ１ ガス経路
Ｌ１１ 管体部
Ｌ１２ 第１管体部（第１ガス経路）
Ｌ１３ 第２管体部（第２ガス経路）
Ｌ１４ 第３管体部（第３ガス経路）
Ｌ２ パージガス経路
Ｌ３ 吸込流路
Ｌ４ 吐出流路
Ｔ１ 第１貯留タンク（貯留タンク）
Ｔ１Ｇ 気相部
Ｔ２ 第２貯留タンク（パージガスタンク）
Ｔ３ バッファタンク（バッファタンク、熱交換器）
Ｖ１ 第１弁（開閉弁、切替部）
Ｖ３ 第３弁（切替部）

【要約】

【課題】液体水素の外部環境への漏洩が無く、ロータが液封されているポンプよりも高速回転に適したポンプ装置、ポンプシステムおよびポンプシステムの運転方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るポンプ装置２，２Ａは、液体水素と液体水素が気化した水素ガスとが貯留される貯留タンクＴ１に接続され液体水素を送液する。ポンプ装置は、回転軸３１と、回転軸を回転させるモータＭと、回転軸の前端部３１ａに取り付けられるインペラ４１と、モータが収容されるモータ室３６とインペラが収容されるポンプ室４３とを有する筐体３０，４０と、回転軸と筐体とに取り付けられポンプ室に対してモータ室をシールするメカニカルシール４２と、を有してなる。モータは、回転軸に取り付けられるロータ３４と、回転軸の径方向においてロータに直接対向し、ロータを回転させるステータ３５と、を備える。モータ室には、水素ガスが導入される。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】