JP2008082318A - 汲み上げようとする流体に浸漬されてなる、電動モータ付きポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】バランスシステムおよび冷却用の流れの性能レベルを向上させるため、ポンプにおいて内部における流体の補助的な循環を最適化することを提案する。
【解決手段】ポンプの軸方向のバランス調整およびポンプの特定の部分の冷却のための、ポンプにおける流体の補助的な循環のための回路。
ポンプが、流体による軸方向バランスシステム（６０）を備える遠心領域（２８）を備えており、このバランスシステムへの供給回路が、モータ（１６）および／または転がり軸受（３８）などといったポンプの特定の要素の、流体による冷却回路または各冷却回路（９０、５０、４８、５２、８６）から別個独立している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータを備えるポンプであって、汲み上げようとする流体にモータを含めて完全に浸漬されてなるポンプに関する。この形式のポンプは、例えば液化天然ガスなどの低温の液体を汲み上げるために使用され、この液体が、特に電動モータのようなポンプの特定の要素を冷却するための流体として使用されるとともに、回転部品の軸方向の動的なバランスのために使用される。本発明は、さらに具体的には、これらの動作の実行を可能にする流体の補助的な循環のための回路の新規な構成に関する。

ケーシングの下部に位置する吸い込み段の上に、同じケーシング内に収容された電気駆動モータが載せられている形式のポンプが、知られている。このケーシングは、汲み上げようとする流体へと沈められるように設計されている。例えば、この形式のポンプを、タンクに収容された液化天然ガスを汲み出すために使用することができる。このポンプが、好ましくはタンクの底へとほぼ垂直に下方へと、液化ガス中に浸漬される。この形式のポンプは、例えば米国特許第３，６５２，１８６号明細書に記載されている。電動モータと吸い込み段の共通のシャフトが、転がり軸受によって支持されている。

吸い込み段の後方に、上記シャフトへと接続された遠心ホイールが続いており、このホイールの構造が、軸方向のバランスシステムを形成するために利用されており、軸方向のバランスシステムは、遠心ホイールとケーシングとの間に設けられる、汲み上げられる実際の流体の循環のための回路によって画定されている。動作時、このバランスシステムが、機械式の転がり軸受の荷重を軽減する。したがって、汲み上げられる流体の僅かな部分が、このバランスシステムへの供給のために転用される。

また、特に電動モータおよび少なくとも１つの機械式の転がり軸受、とりわけ流体バランスシステムの近傍に位置する主たる転がり軸受である、ポンプの特定の要素を冷却するために、汲み上げられた流体を転用することが知られている。

このポンプは、任意の位置で動作することができるが、吸い込み段を底部に位置させて垂直に配置されるように、特に設計されている。この理由から、本明細書の残りの部分においては、例えばある要素の位置を他の要素に対して定義すべく、用語「下方」または「上方」を使用する。
米国特許第３，６５２，１８６号明細書

本発明は、バランスシステムおよび冷却用の流れの性能レベルを向上させるため、ポンプにおいて内部における流体の補助的な循環を最適化することを提案する。

したがって、本発明は、主として、汲み上げようとする流体に浸漬され、この流体へと沈められるように意図されたケーシングを備えており、このケーシングが、一方では少なくとも１つの遠心ホイールを、他方ではこの遠心ホイールの上に載せられた同軸の電動モータを収容しており、この電動モータが、上記ケーシングと一体である固定子と上記遠心ホイールに接続されたシャフトに一体である回転子とを有しており、上記シャフトと上記ケーシングとの間に取り付けられる第１の転がり軸受が、上記遠心ホイールと上記モータとの間に設置され、軸方向のバランスシステムが、上記遠心ホイールと上記ケーシングとの間に設けられた流体の循環回路によって画定されている、電動モータ式ポンプであって、特に上記モータおよび／または上記第１の転がり軸受のため、流体による少なくとも１つの冷却回路をさらに備えており、上記軸方向のバランスシステムの上記供給回路が、上記冷却回路または上記冷却回路のそれぞれから別個独立していることを特徴とする、電動モータ式ポンプに関する。

このような状況のもとで、それぞれの動作（動的なバランスおよび冷却）のために最大の圧力が得られ、温度が最低にされる。これら２つの状況の組み合わせが、軸方向のバランスシステムおよび冷却回路の効果的な動作のために、重要であることがわかっている。さらに、本発明によれば、上述の補助回路を循環している流体の内部での気化（キャビテーション）の恐れをなくすことができる。

さらに、これら種々の流体循環補助回路が、ポンプに容易に設置される。

有利には、流体による電動モータの冷却回路が、このモータのエアギャップを通過している。

一実施形態によれば、モータがケーシングの内側ジャケット内に設置され、このジャケットに、下部チャンバ（上記第１の転がり軸受とモータとの間）およびモータの上方の上部チャンバが画定されている。モータの冷却回路が、内側ジャケットの壁面に形成された入口オリフィスであって、上記遠心ホイールの下流の排出管路と下部チャンバとの間に連通を確立している入口オリフィスを備えている。冷却に使用された流体を、流体が貯蔵されているリザーバへと再び導入するため、上部チャンバと連通する少なくとも１つの放出管路が設けられている。

軸方向のバランスシステムは、ケーシングと上記遠心ホイールの下面（前面）との間に画定された高圧流空間と、ケーシングとこの同じ遠心ホイールの上面（背面）との間に画定された低圧流空間とを備えており、この低圧流空間は、軸方向に可変である流量絞りを形成している環状の通路によって、半径方向内側に限定されている。再導入チャネルが、上記遠心ホイールにおいて環状の放出空間と遠心ホイールの入口（そこでは流体が低圧である）との間に設けられている。環状の放出空間は、可変の流量絞りを形成している上記環状の通路に対して半径方向内側に、シャフトの周囲に画定されている。

添付の図面を参照しつつあくまで例として提示される、本発明の原理によるポンプについての以下の説明に照らし、本発明がよりよく理解され、本発明のさらなる利点がより明白になるであろう。

図は、本発明によるポンプの断面立面図を示している。

図示のポンプは、吸い込み段１４および電動モータ１６を収容するほぼ円筒形のケーシング１２を備えている。このモータは、ケーシングと一体である固定子１８と、駆動シャフト２２を備える回転子２０とを備えており、駆動シャフト２２の軸が、吸い込み段の軸と一致している。シャフト２２は、主としてアルキメデスの螺旋駆動ユニット（以下では、インペラ２６と称する）を備える吸い込み段１４へと、機械的に接続されている。吸い込み段の上には、それ自体は公知の遠心ホイール２８が載せられている。固定のブレード３１をケーシングと一体に備えているディフューザ３０が、インペラ２６と遠心ホイール２８との間に同軸に設置されている。通常の動作条件において、ポンプは、ケーシングのインペラに最も近い方の端部３４を下部に位置させて、少なくともほぼ垂直に配置され、汲み上げようとする流体に浸漬するように設計されている。汲み上げ用の入口３５が、この下端３４の付近に画定されている。このような状況において、すなわち垂直に設置されたポンプを眺めたとき、ケーシング内において下方から上方へと順に、インペラ２６、ディフューザ３０、遠心ホイール２８、および電動モータ１６を見つけることができ、電動モータ１６はシャフト２２を駆動する。このシャフトならびにこのシャフトと一体であるポンプの回転部品は、同軸であってモータの各側へと離して設置されている２つの転がり玉軸受、すなわち吸い込み段１４とモータ１６との間に配置され、さらに正確には遠心ホイール２８の直上に配置されている第１の主たる転がり軸受３８、およびモータの上方に配置されている第２の転がり軸受４０によって、支持されている。それぞれの転がり軸受において、内側ケージがシャフトへと固定される一方で、外側ケージが、ポンプの回転要素のすべてがシャフトの長手方向に可動であるよう、ケーシング１２の穴にスライド可能に取り付けられている。

上記第１の転がり軸受３８は、吸い込み段をモータから隔てているケーシングの横断壁４４の中心に設置されている。電動モータの固定子は、ケーシングの内側ジャケット４６と一体であり、このジャケットはシャフトと同軸であり、回転子の外側と固定子の内側との間に画定されるモータのエアギャップ４８が、上記内側ジャケットの下部チャンバ５０（上記第１の転がり軸受とモータの下端との間に広がっている）と上記内側ジャケットの上部チャンバ５２（モータと上記第２の転がり軸受との間に広がっている）との間の連通を確立している。動作時には、上記内側ジャケットが、汲み上げようとする流体で満たされる。

遠心ホイール２８の出口５６に連通している環状の管路５４が、上記内側ジャケット４６の周囲に延在しており、汲み上げられた流体を排出するための管路５８へと、その下部において開いている。

動的バランスシステム６０が、汲み上げられた流体の循環のための二重回路によって画定され、遠心ホイールとケーシングとの間に設けられている。このバランスシステムは、ケーシングと遠心ホイールの下面との間に画定された高圧流空間６２と、ケーシング（さらに具体的には、上記第１の転がり軸受が取り付けられている上記横断壁４４）と遠心ホイールの上面との間に画定された低圧流空間６４とを備えている。

上記ケーシングと上記下面との間に画定された高圧流空間６２は、遠心ホイールの高圧の出口５６とこの同じホイールの低圧の入口６６との間に、環状に広がっている。第１のラビリンスシール６８（または、同様の調節済みの環状の流量絞り）が、この高圧流空間の最も半径方向内側の端部と上記低圧の入口との間に設けられている。この高圧流空間の入口は、流量絞りを備えていない遠心ホイールの実際の出口に位置している。

上記ケーシングの横断壁４４と上記遠心ホイールの上面との間に画定された低圧流空間６４は、第２のラビリンスシール７０（遠心ホイールの高圧の出口との調節済みの連通を確立している）と、この第２のラビリンスシール７０に対して半径方向内側に画定されて可変の流量絞りを形成している環状の通路７２との間に、環状に広がっている。

上記環状の通路は、互いに面する２つの同軸な環状リブの間、すなわち遠心ホイールの上面から突き出しているリブ７４と、上記第１の転がり軸受を保持しているケーシングの横断面から突き出しているリブ７６との間に、形成されている。この環状の通路は、上述されるように、遠心ホイールが取り付けられてなるシャフトが、ある限られた範囲まで長手方向に可動であるがゆえに、可変の流量絞りを形成している。

環状の放出空間７８が、環状の通路７２に対して半径方向内側に画定されており、すなわちこの通路とシャフトとの間に画定されている。この空間は、遠心ホイールの低圧の入口６６に、このホイールに設けられた再導入チャネル８０によって連通している。したがって、この環状の放出空間は常に、実質的に、遠心ホイールの入口に広がる低圧にある。

軸方向バランスシステムは、次のように動作する。

静止時には、シャフトへと接続された回転要素のすべての質量が、環状の通路７２をその最大の程度にまで広げている。

動作時には、高圧流空間６２および低圧流空間６４のそれぞれに対するラビリンスシール６８および７０のそれぞれの位置ゆえ、遠心ホイール、したがってシャフトへと接続されているすべての回転要素に、上昇力が生み出される。この力が、環状の通路７２の開口を小さくしようとし、次いでこれが、低圧流空間６４の圧力に上昇傾向をもたらし、結果として遠心ホイールを下方へと押し戻す。

バランスがもたらされ、これによって転がり軸受３８の軸方向の荷重が軽減され、２つの環状のリブは、調節効果を生み出す可変の間隔にて、互いに離間したままに保たれる。

さらに、上記第２の転がり軸受４０が、シャフトの上端を保持するとともに、上部チャンバ５２に上方に延在する軸方向の空洞８４に設置されている。少なくとも１つの放出管路８６（ポンプが沈められているリザーバへと戻っている）が、この空洞に、したがって上記上部チャンバ５２に連通している。

この放出管路、または放出管路のそれぞれに、流量調節要素８８が設けられている。

したがって、ここに説明されている例では、第２の転がり軸受４０が、上部チャンバとこの放出管路、またはそれぞれの放出管路との間に、設置されている。

モータを収容しているジャケット４６に形成された入口オリフィス９０が、遠心ホイールの出口５６に位置する汲み上げられた流体を排出するための環状の管路５４と、上記下部チャンバとの間の連通を、確立している。したがって、このチャンバに広がる圧力は、遠心ホイールの出口において広がる高圧に実質的に等しい。

第１の転がり軸受３８の凹所が、調節済みの環状の流量絞りを形成しているシール９２を介し、環状の放出空間７８と連通している。

本発明の重要な特徴によれば、流体による冷却回路（汲み上げられた流体の一部を使用する）が、上述のように画定される軸方向バランスシステムの二重の流体循環回路から、別個独立している。

バランスシステムの流体供給回路は、基本的には、上述のような高圧流空間６２および低圧流空間６４で構成されている。低圧である環状の放出空間７８は、バランスシステムにおいては、いかなる役割も果たしていない。さらに、モータの冷却回路が、ジャケットに形成された入口オリフィス９０と１つまたは複数の流量絞り８８との間に確立され、したがって下部チャンバ５０、モータのエアギャップ４８、上部チャンバ５２（および、軸方向の空洞８４）、１つまたは複数の放出管路８６、ならびに１つまたは複数の流量絞り８８を備えている。流体は、ポンプの入口に再導入される。さらに、第１の転がり軸受３８の冷却回路が、オリフィス９０を介して供給を受けており、下部チャンバ５０、シール９２、環状の放出空間７８、および流体を遠心ホイールの入口へと戻す再導入チャネル８０を備えている。

最後に、第２の転がり軸受４０の冷却回路は、電動モータ１６の冷却回路と同じである。第２の転がり軸受の冷却は、第１の転がり軸受の冷却ほどには重要でなく、したがって電動モータの冷却と組み合わせることが可能である。

本発明によるポンプの断面立面図を示している。

符号の説明

１２ ケーシング
１４ 吸い込み段
１６ 電動モータ
１８ 固定子
２０ 回転子
２２ 駆動シャフト
２６ インペラ
２８ 遠心ホイール
３０ ディフューザ
３１ ブレード
３４ 端部
３５ 入口
３８、４０ 転がり軸受
４４ 横断壁
４６ 内側ジャケット
４８ エアギャップ
５０ 下部チャンバ
５２ 上部チャンバ
５４、７２ 環状の通路
５６ 出口
５８ 通路
６０ 動的バランスシステム
６２ 高圧流空間
６４ 低圧流空間
６６ 低圧の入口
６８、７０ ラビリンスシール
７４、７６ リブ
７８ 環状の放出空間
８０ 再導入チャネル
８４ 軸方向の空洞
８６ 放出管路
８８ 流量調節要素
９０ 入口オリフィス
９２ シール

Claims (9)

1. 汲み上げようとする流体に浸漬され、前記流体へと沈められるように意図されたケーシングを備えており、ケーシングは、一方では少なくとも１つの遠心ホイール（２８）を、他方では前記遠心ホイールの上に載せられた同軸の電動モータ（１６）を収容しており、電動モータは、前記ケーシングと一体である固定子と前記遠心ホイールに接続されたシャフト（２２）と一体である回転子とを備えており、前記シャフトと前記ケーシングとの間に取り付けられる第１の転がり軸受（３８）が、前記遠心ホイールと前記モータとの間に設置され、軸方向のバランスシステムが、前記遠心ホイールと前記ケーシングとの間に設けられた流体の循環回路によって画定されている、電動モータを備えるポンプであって、
   特に前記モータおよび／または前記第１の転がり軸受のため、流体による少なくとも１つの冷却回路（９０、５０、４８、５２、８６）を備えており、前記軸方向のバランスシステムの前記供給回路が、前記冷却回路または前記冷却回路のそれぞれから別個独立していることを特徴とする、ポンプ。
2. 前記モータの前記流体による冷却回路が、前記モータのエアギャップ（４８）を通過していることを特徴とする、請求項１に記載のポンプ。
3. 前記モータ（１６）が、前記第１の転がり軸受（３８）とモータ（１６）との間の下部チャンバ（５０）および前記モータの上方の上部チャンバ（５２）を内部に画定している内側ジャケットの中に設置され、モータの冷却回路が、前記汲み上げられた流体を排出するための管路と前記下部チャンバとの間の連通を確立している入口オリフィス（９０）と、前記上部チャンバと連通している少なくとも１つの放出管路（８６）との間に延在していることを特徴とする、請求項２に記載のポンプ。
4. 前記放出管路または前記放出管路のそれぞれが、流量調節要素（８８）を備えていることを特徴とする、請求項３に記載のポンプ。
5. 第２の転がり軸受（４０）が、前記上部チャンバにおいて前記シャフトと前記ケーシングとの間に取り付けられていることを特徴とする、請求項３または４に記載のポンプ。
6. 前記第２の転がり軸受（４０）が、前記上部チャンバ（５２）と前記放出管路（８６）または前記放出管路（８６）のそれぞれとの間に設置されていることを特徴とする、請求項５に記載のポンプ。
7. 前記軸方向のバランスシステム（６０）が、前記ケーシングと前記遠心ホイール（２８）の下面との間に画定された高圧流空間（６２）と、前記ケーシングと前記遠心ホイールの上面との間に画定され、軸方向に可変の流量絞りを形成している環状の通路（７２）によって半径方向内側に限定されている低圧流空間（６４）とを備えており、
   再導入チャネル（８０）が、前記遠心ホイールにおいて環状の放出空間（７８）と前記遠心ホイールの入口（６６）との間に設けられ、前記環状の放出空間が、可変の流量絞りを形成している前記環状の通路（７２）に対して半径方向内側に、前記シャフトの周囲に画定されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のポンプ。
8. 前記第１の転がり軸受（３８）が、前記環状の放出空間（７８）と連通しており、前記第１の転がり軸受の冷却回路は、前記環状の放出空間（７８）を介して前記入口オリフィス（９０）と前記遠心ホイールの入口との間に延在していることを特徴とする、請求項３および７の双方に記載のポンプ。
9. 調節済みの環状の流量絞りを形成するシール（９２）が、前記第１の転がり軸受（３８）の凹所と前記環状の放出空間との間に挿入されていることを特徴とする、請求項８に記載のポンプ。

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