JP5731166B2 - 低温液化ガス用ポンプ - Google Patents
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Description
(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 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、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 Pump 2”×3”×6.7”、特許文献2:特表2001−514360)
(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。
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。
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。
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。
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る
ことを要旨とする。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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/(m2・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/(m2・K))
(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>
(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/(m2K))
ar=((Tse)4−(Ta)4)/(Tse−Ta) (K3)
Cr=ε・σ (W/(m2・K4))
hr:放射による表面熱伝達率(W/(m2K)
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>
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)
<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>
<計算結果>
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。
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
Claims (2)
- 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る
ことを特徴とする低温液化ガス用ポンプ。 - 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。
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