JP2012511297A - ポンプまたは圧縮機用の駆動装置 - Google Patents

Abstract

ポンプ、圧縮機またはこれらに類似する機器に用いられる駆動装置（１１）であって、棒部材（２３）の往復運動の結果として、ポンプまたは圧縮機のチャンバーなど、少なくとも２つのチャンバー（２７ａ、２７ｂ、２７’、２７’’）内に可変圧力を供給するよう構成される。棒部材が、チャンバーと流体接続さえるピストン（２１ａ、２１ｂ）又はプランジャとしての、２つの可動圧力チャンバー面に接続され、ハウジング（１９）内で往復運動可能に支持される。駆動装置はさらに、棒部材（２３）に往復運動をもたらすよう構成される電気モータ（３１）を備える。棒部材は、電気モータ（３１）のロータ（３１ｂ）を貫通して延在する。電気モータは、電気回転モータである。

Description

本発明は一般に、ポンプおよび圧縮機用の駆動装置に関する。本発明は、複数のポンプとそれに適した駆動装置を有する装置にも関する。

ポンプおよび圧縮機用の駆動装置として、様々な形式の駆動装置が知られている。その形式は、重量、容量、力、速度、騒音レベル、振動レベル、信頼性、利用可能である電源、価格等のパラメータに基づき選択される。たとえば、海中で利用するためには、保守整備の必要性が少なく、水圧または電力により駆動可能である信頼性の高い駆動装置が望ましい。

米国特許第７，２８７，５９５号明細書には、海中環境で水圧を供給するための水圧ピストンを駆動するために電気モータを使用することが開示されている。電気エンジンは、遊星歯車（１９０）を介してローラねじアセンブリ（１７０）に接続されている。ローラねじには、ピストンステム（１３４）が接続され、ピストンステムの反対側の端部では水圧ピストン（１３０）に接続されている。このような構成によれば、電気モータへの電力によって水圧を供給することが可能となり、水圧がアキュムレータ（１４２）に蓄積される。こうして、たとえば水圧供給用供給ケーブルが海面から海底抗井へ案内されなくてはならないことを回避できる。

米国特許第７，２８７，５９５号明細書に示される解決策は、ピストンステム（１３４）のストローク長さが、遊星歯車（１９０）とローラねじアセンブリ（１７０）の可動限界（最下限）との間の距離に限定されている点に特徴がある。

米国特許第４，１４５，１６５号明細書には、電気モータのロータを貫通して延在するねじロッドを有するストロークの長いポンプが開示されている。ロータの稼働時、ロッドは、ロータとの螺合のために軸方向に往復運動する。ロッドの２つの端部は、２つのプランジャとして機能し、これら２つのプランジャは２つの隣接する室に反復して出入することによりポンプ作動を行う。

さらに、２００９年２月２６日に公開された米国特許出願公開第２００９／００５３０７４号明細書は、同様なピストンロッドの往復運動を行うためにリニアモータを使用する類似の容積型ポンプを開示する。このポンプは、ピストンロッドの各端部でピストンを使用するものである。

また、ピストンステムを、直接的または間接的に、クランクシャフト（図１を参照）またはフライホイールに取り付けてピストン運動をさせることが知られている。このようなクランクシャフトまたはフライホイールは、ピストンのストローク長さに対して交差する軸方向を有する。このような構成のアセンブリはスペースを要する。また、ストローク長さは、クランクシャフトまたはフライホイールの径方向の寸法により制限されてしまう。

本発明の目的は、上述の短所を回避し、従来技術に対してさらなる長所を備える、ポンプおよび圧縮機用の駆動装置を提供することである。

発明の第１態様によると、ポンプ、圧縮機またはこれらに類似する機器に用いられる駆動装置であって、ポンプまたは圧縮機などのチャンバー内に、棒部材の往復運動の結果として、可変圧力を供給するよう構成される。棒部材は、ピストンまたはダイヤフラムなどの可動圧力チャンバー面に接続されるとともに、棒部材はハウジング内で往復運動可能に支持される。駆動装置はさらに、棒部材に往復運動をもたらすよう構成される電気モータを備える。駆動装置において、棒部材は、電気モータのロータを貫通する。

圧力チャンバー面は、多様な形式であってよい。一般には、圧力チャンバー面は、その動作によって圧力チャンバーの容積を変化させる面である。圧力チャンバー面は、例えば、棒部材に取り付けられることが可能であるピストンであってよい。また、棒部材に機械的に接続されるダイヤフラムポンプのダイヤフラムであってもよい。また、ポンプの圧力チャンバーの可動部品であってもよい。棒部材は圧力チャンバーに機械的に、または流体接続により接続される。従って、棒部材自体はたとえば、運動エネルギーがポンプまたは圧縮機に水圧により伝達されるピストンである。

棒部材は、電気モータのロータを貫通する部品である。ロータは、電気回転モータの回転部品、または電気リニアモータの非回転部品であってもよい。棒部材は、モータの運動エネルギーを圧力チャンバー面に伝達する部品である。この運動エネルギーの伝達は、直接的に、または間接的に行われる。

電気モータのロータは、少なくともハウジングと少なくとも１つの可動圧力チャンバー面とにより囲まれる流体チャンバー内に配置される。駆動装置のハウジングは、流体チャンバーを囲む壁部となる。

流体チャンバーを包囲するのに役立つ可動圧力チャンバー面の数は、２つとするのが有利である。これら２つの圧力チャンバー面は、好適には電気ロータの各端部で棒部材に接続され、これによりチャンバーに圧力が供給された際、２つの圧力チャンバー面の間で力が平衡する。

流体チャンバーには好適には液体が充填されている。これにより、以下に詳細に説明する複数の利点が得られる。しかし、流体チャンバーには気体が充填されても良い。

複数の可動圧力チャンバー面はピストンであることが可能であり、これらピストン相互の距離はピストンが接続されている棒部材により略一定に維持される。このようにして、流体チャンバー内の容積が一定に保たれる。その結果、ピストンの移動中における流体チャンバー内での圧力変動は低減する。また、流体チャンバー内の流体に圧縮仕事は行われない点で有利である。

駆動装置は、ポンプまたは圧縮機に接続可能であり、これらと２つの可動圧力チャンバー面が協働する。一方の圧力面が２つのポンプまたは圧縮機の一方と共に機能するのが好ましい。２つのポンプまたは圧縮機は、ポンピングまたは圧縮される媒体が供給される同一の供給源に接続される。これにより、各ポンプまたは圧縮機の流入側の媒体の圧力が略同一になる。

電気モータは回転モータであることが好ましく、駆動装置は、電気モータの回転運動を棒部材の直線運動に変換するためのローラねじ装置を備えてもよい。ローラねじ装置は、回転モータの回転運動を棒部材の直線運動に変換するためのあらゆる形式の適切な装置を含むものとする。回転運動から直線運動への変換に加えて、力伝達も行われることが好ましい。駆動装置は複数のローラねじ装置を備えてもよい。棒部材の位置は好適には、電気モータのロータが行う回転の数により決定される。棒部材の軸方向の位置は、回転数の値を読み取ることにより検知可能である。

駆動装置は、運動の減速の際に電気モータを発電機として利用して電気エネルギーを生成するよう構成されてもよい。こうすると、エネルギー効率の高い駆動装置が得られ、発生した運動エネルギーの一部が駆動装置から電気エネルギーとして取り出される。減速時の駆動装置の運動エネルギーは、モータおよび制御システムを介して、加速時の１つまたは複数のその他の駆動装置のモータに伝達される。これにより、回転運動および直線運動のために必要なエネルギーを、ポンプ装置全体から損失を減算した範囲内で保存することが可能になる。

流体チャンバーに液体が充填されている実施形態では、圧力チャンバー面に対向する両側が同じ液体で充填されていることが有利である。圧力チャンバー面からの漏れが生じ得る場合に、その重要性が低くなる。

また、流体チャンバーが液体で充填されている場合、この場合の流体チャンバーは好適には圧力チャンバー面の両側の圧力より高い圧力下にある。これにより、漏れが生じた場合には流体室とは異なる方向に漏れが生じることとなる。

加えて、駆動装置は、第１室と第２室との間に閉鎖可能である流体接続部を備えてもよい。このような接続部または管路は、棒部材および圧力チャンバー面の位置調節に、またチャンバー内の流体の量の調節にも適切である。

本発明の第２態様によると、ポンプ装置であって、２つの駆動装置とこれらに取り付けられるポンプまたは圧縮機とを備えるポンプ装置が提供される。駆動装置は、棒部材の往復運動の結果としてポンプまたは圧縮機のチャンバー内に可変圧力を供給するよう構成され、その際棒部材はハウジング内で往復運動を行うよう支持されており、駆動装置は、棒部材に往復運動をもたらすよう構成される電気モータをさらに備える。ポンプ装置は、棒部材が電気モータのロータを貫通し、電気モータの各側には、その運動によりチャンバー内の圧力が可変とされるピストンまたはダイヤフラムが接続され、可変圧力によりポンプ機能または圧縮機能がもたらされる。

本発明の第２態様によるこのようなポンプ装置の駆動装置は、相互の位相差に応じて動作する。これにより、ポンピングされるものと同じ供給源に他のポンプアセンブリが接続される場合、滑らかなポンプの流れが可能となる。これに相当する有利な結果は、電源の負荷に関しても得られる。

正確な位置制御が可能であることによって、駆動の運転許容範囲内で自由に選択可能である駆動装置の運転曲線が、トルク、慣性、速度、ストローク距離、利用可能である電流および電圧に基づくことが可能になる。ポンプは、全てのロッドアセンブリの速度に関する異なる運転曲線が常時一定の和で保たれている限りは、一定の流れを満たし続ける。このためには、全ての速度変化がｄｖ／ｄｔ＝０を満たすことが必要である。瞬時速度の合計が一定であり、固定のピストン活動領域では、ポンピングされる媒体の流れは一定になる。これは、駆動装置の１つが加速する期間が、他の駆動装置の減速の期間に対応しなくてはならないことを意味する。これにより加速と出力との和が長時間一定に保たれる。加速および減速はゼロであることも可能であり、この場合も合計速度は一定となる。

好適な実施形態よると、２つまたはそれ以上の駆動装置を有する装置内の駆動装置は、アセンブリ内の他の駆動装置の挙動に応じて電気モータを制御するよう構成される電気モータ制御装置を備える。有利には、第１電気モータまたは駆動装置の運転曲線は、第２電気モータまたは駆動装置の運転曲線に適合される。これにより、ポンピングされる媒体の固有の密度に基づいてポンプの流れを適合させることが可能になる。ポンプされる媒体の密度は、たとえば粒子、石、泡、比較的大きい気体量のような不純物の存在の影響を受けることがある。上記に加えて、不具合が駆動装置の可能な運転許容範囲内で補償されることも可能である。

本発明の第１または第２態様に係る駆動装置およびポンプ装置は、小型の構造で、煩雑性が低く、軽量であり、部品数が少ないことが好ましく、高トルクのモータの使用ならびにスラスタの異なる位置決めを容易にする。

この他の有利な特徴は請求項に説明される。

本発明の各種技術的特徴および機能をより詳しく理解するために、以下に実施形態の説明を行う。図面に基づいて説明する。

クランクケースとクロスヘッドとを有する公知の容積型ポンプを示す図である。 本発明の一態様の好適な実施形態の原理を示す概略図である。 ダイヤフラムポンプおよびホースダイヤフラム・ポンプの原理を示す概略図である。 図２の駆動ユニットの他の実施形態を示す図である。 図２の駆動ユニットのより現実的な実施形態を示す断面図である。 回転運動の直線運動への変換に用いられるローラねじの斜視図である。 図６のローラねじの断面図である。 本発明の第２態様に係るポンプ装置の斜視図である。 図８のポンプ装置の断面図である。 本発明に係る駆動装置の電力、ポンプ動力、ロータ速度に関するグラフである。 図１０に示される曲線の有利な代替曲線を示す図である。 過度の力による損傷から駆動装置を保護するための保護装置を示す図である。 ポンプアセンブリ内の駆動装置により行われる往復運動を表す図である。 ポンプアセンブリ内の駆動装置により行われる往復運動を表す図である。 ポンプアセンブリ内の駆動装置により行われる往復運動を表す図である。 ポンプアセンブリ内の駆動装置により行われる往復運動を表す図である。 ポンプアセンブリ内の駆動装置により行われる往復運動を表す図である。 ポンプアセンブリ内の駆動装置により行われる往復運動を表す図である。 ポンプアセンブリ内の駆動装置により行われる往復運動を表す図である。 モータ制御に関する有利な実施形態を示す図である。 本発明の第１態様に係る駆動装置の他の実施形態を示す図である。 駆動装置の好適な実施形態の詳細を示す断面図である。

図１には、クランクシャフトとクロスヘッドとを有する公知の容積型ポンプが示されている。図面から分かるように、エンジンを除いてもクランクシャフトおよびクロスヘッド用に比較的大きなスペースおよび重量の大きな部材が必要とされる。以下の実施形態の例では、図１の点線内のものを置き換えた、駆動ユニットについて説明する。置き換えた駆動ユニットは、さらに駆動モータを備える。

図２には、第１および第２ダイヤフラムポンプ１３ａ、１３ｂ用の駆動装置１１の原理の概略図が示されている。ダイヤフラムポンプ１３ａ、１３ｂはそれぞれ入口弁１５ａ、１５ｂと出口弁１７ａ、１７ｂとを有する。

入口弁および出口弁は、これらの圧力差に応じて開閉する。弁はその他の方法、たとえば電気式または油圧制御式に制御されることも可能である。矢印は、ダイヤフラムポンプ１３ａ、１３ｂにおける流れ方向を示す。

本発明は、ダイヤフラムポンプまたはこの種のポンプに限定されるものではない。本発明に係る駆動装置は、たとえば圧縮機またはその他の装置の作動用に使用することが可能である。図３には、図２に示されるダイヤフラムポンプ１３ａ、ならびにホースダイヤフラム・ポンプ１３ｃの原理の概略図が示されている。ポンプおよび圧縮機は、当業者によく知られたものであり、ここでは詳しく説明しない。このような装置用の駆動装置１１について以下に詳細に説明する。

再び図２について説明する。駆動装置１１は、円筒形のハウジング１９を備える。ハウジング１９内には第１および第２ピストン２１ａ、２１ｂが配置され、これは相互にピストンロッド２３により接続される。ピストンは、ハウジング１９の内壁面に対してシール２５ａ、２５ｂにて当接しており、各ピストン２１ａ、２１ｂの各々においてその両側に対して境界を形成する。ピストンは、ハウジング１９の内側で追加的なシリンダまたはブッシング内に配置されることも可能である。第１ピストン２１ａの左側には、第１ピストン２１ａと第１ダイヤフラムポンプ１３ａのダイヤフラム２９ａとの間に、第１機能チャンバー２７ａが設けられる。これに対応して、第２ピストン２１ｂと第２ダイヤフラムポンプ１３ｂのダイヤフラム２９ｂとの間に第２機能チャンバー２７ｂが設けられる。

ハウジング１９の中央部分には、電気モータ３１が配置される。電気モータ３１は、第１ピストン２１ａと第２ピストン２１ｂとの間の流体チャンバー４１の中に配置される。モータのステータ３１ａは、ハウジング１９の内壁に接続される。ステータ３１ａの径方向内側には電気モータのロータ３１ｂが配置される。電気モータ３１の電源は不図示とする。ロータ３１ｂの径方向内側では、ロータ３１ｂがピストンロッド２３に対して自由に回転可能であるようにピストンロッド２３が配置されている。電気モータ３１は、永久磁石モータとするのが好適である。

ロータ３１ｂには、ロータ３１ｂと共に回転するようにナット３３ａが取り付けられている。ナット３３ａは、ローラねじ装置３３の一部であり、ナット３３ａの回転がピストンロッド２３の軸方向運動につながるよう、ピストンロッド２３に設けられた溝と係合する。ナット３３ａと係合するピストンロッド２３の溝は不図示とする。第１ピストン２１ａおよび第２ピストン２１ｂは、これにより電気モータ３１の回転により軸方向に移動可能である。また、軸方向はロータ３１ｂの回転方向により決定されることが可能である。

本発明は、電気モータ３１の回転運動をピストンロッド２３の軸方向運動に変換する形式の装置に限定されない。当業者であれば、たとえば力、速度、重量、容量、エネルギー損失、保守管理、信頼性、価格に関して最も適切な動力伝達装置を選択することが可能である。

駆動ユニットが使用される用途に応じて、電気モータ３１とナット３３ａとの間に、たとえば遊星歯車を用いてギヤ比を設定することも可能である。

図５は、図２に示した駆動装置のより現実的な実施例の断面を示す図である。第１ピストン２１ａおよび第２ピストン２１ｂの間の流体チャンバー４１には液体が充填されるのが好ましい。駆動装置の使用される用途に応じて、液体は複数の種類の液体であり得る。しかし多くの用途においてはオイルが有利である。電気モータ３１およびローラねじ３３（ナット３３ａ）のような可動部品は、適切な方法で潤滑される。同時に、液体は電気モータ３１の冷却にも寄与する。

ハウジング１９内で液体を使用する際に特に長所となるのは、駆動装置が、たとえば極めて深い海中のような高い圧力下での使用に特に適切である点である。また、ダイヤフラムポンプ１３ａ、１３ｂ（図２）が同じ供給源に接続される場合、供給源の圧力は駆動装置の両側、すなわちそれぞれ第１ピストン２１ａおよび第２ピストン２１ｂの左右に作用する。これにより電気モータは、１つのピストンのみで作動される場合のように一定の逆圧に対向して作動する必要がなくなる。さらに別の長所は、ピストン２１ａ、２１ｂにおける圧力低下が低減し、シール２５ａ、２５ｂにおける漏れが減少することである。このような構成は、第１機能チャンバー２７ａおよび第２機能チャンバー２７ｂ内の駆動媒体が、第１ピストン２１ａおよび第２ピストン２１ｂの間の流体チャンバー４１内と同じ液体である場合に特に有利になる。この場合、シール２５ａ、２５ｂからの漏れは大きな問題とはならない。また、流体チャンバー４１内の液体には圧力が加えられることが好ましく、この場合ピストン２１ａ、２１ｂ外側の液体より圧力が高くなる。漏れが発生するとすれば、この流体チャンバー４１から外へ向かっての方向に生じるので、流体チャンバーの中の液体は汚染されない。その結果、駆動装置の耐久性および動作信頼性が向上する。流体チャンバー４１内の液体は、電気モータ３１およびその他の可動機械部品、たとえばローラねじ装置３３を冷却および潤滑するのが好ましい。

第１ピストン２１ａと他方のピストン２１ｂとの間の流体チャンバー４１には流体が充填されているため、それが液体または気体であっても、ピストンが軸方向に移動する際に、流体は電気モータ３１およびローラねじ３３（ナット３３ａ）を通って流れなくてはならない。そのため、ピストンロッド２３とロータ３１ｂとの間には溝３７が適切に配置されている。流体はステータ３１ａとロータ３１ｂとの間の溝を通って流れることも可能である。

液体の代わりに気体を流体室４１内で使用することが有利であり得る。その場合、液体の場合よりも流体摩擦が低減する。これは、高速に動作する軽量の駆動装置において特に有利となる。

適切な実施形態では、第１機能チャンバー２７ａおよび第２機能チャンバー２７ｂの間に、閉鎖可能である流体接続部（不図示）が配置される。この場合、ポンピングを行わずにピストン２１ａ、２１ｂを移動させることができる。こうして、ピストン２１ａ、２１ｂを正確な、または所望の位置に調節または修正するか、または機能チャンバー２７ａ、２７ｂ内の流体の量を調節することが可能である。このような流体接続は、内部の媒体の加熱および起動手順にも使用可能である。また、流体チャンバー４１へ接続するための１つまたは複数の弁を配置するのが好ましい。このようにすれば、流体チャンバー内の液体を、ハウジング１９外で循環させることができる。これにより、駆動装置を分解することなく、液体の加熱および冷却、ならびに液体の浄化および／または交換を行うことが可能になる。

流体チャンバー４１内の液体に接する温度計（不図示）を配置することにより、測定された温度に応じてモータの性能を制御するモータ制御部を設けることが有利となる。こうして、過剰な熱に対する保護、ならびに特定の最低温度が液体に必要とされる速度を装置に適用する場合に、十分な高さの温度を確保することが可能となる。

ピストンロッドがナット３３ａと共に回転することを防止するため、クロスバー３５の形の回転防止装置が配置される。クロスバー３５はピストンロッド２３に固定され、これに対して横方向に延在する。クロスバー３５はその両端において、ハウジング１９の内壁に沿って軸方向に延在する案内溝に係合する。こうして、クロスバー３５はピストンロッド２３（またはピストン）が、ハウジング１９に対して回転することを防止する。回転を防止するためにその他の方法も可能である。たとえば、ピストンおよびハウジングは、非同心である断面を有するものとすることができる。

図５のハウジング１９は各端部には、ポンプまたは圧縮機（不図示）に取り付けるためのフランジ３９ａ、３９ｂが設けられる。

図２に示される実施例のように、ピストン２１ａ、２１ｂからダイヤフラム２９ａ、２９ｂへの動力伝達のために、駆動媒体として液体を使用する代わりに、駆動装置は、ポンプまたは圧縮機を機械的な動力伝達により駆動することが可能である。１つ（または２つ）のピストンの代わりに、駆動装置は、直接たとえばダイヤフラムポンプのダイヤフラムに接続されることが可能である。図２に示される装置をダイヤフラム２９ａ、２９ｂなしで使用することも可能である。その際、ピストン２１ａ、２１ｂは、ポンプされる媒体に直接接触する。

図２または図５に示される駆動装置において特に長所となるのは、駆動装置全体が密閉可能であることである。したがって、動的に密閉する必要はない。図２に示される装置では、２つのダイヤフラム２９ａ、２９ｂおよびハウジング１９は、密閉された空間をなすことが分かる。しかし、ハウジング１９内に、ハウジング１９内の流体の再充填のため、または圧力検査のために弁（不図示）を配置することが可能である。

図４は、図２に示される構成の別の実施形態を示す。図４の構成は１つのポンプにのみ接続されている。アセンブリの右側にピストン２１ｂが保持されているが、図２の第２機能チャンバー２７ｂに相当するチャンバーは、たとえば大気圧に対して解放されているか、または気体が充填されているものとする。第２ピストン２１ｂを保持することにより、流体チャンバー４１を加圧することが可能になり、これにより、駆動装置は１つのポンプのみを作動させているにもかかわらず、上述の長所を得ることができる。

図６は、図２において説明された駆動装置において使用可能であるローラねじアセンブリ３３’の斜視図である。ローラねじアセンブリ３３’は、ピストンロッド２３’上にナット３３ａ’を有する。ピストンロッド２３’には、ナット３３ａ’が係合するらせん溝が設けられている。これにより、ナット３３ａ’の回転により、ナットがピストンロッド２３’の長手方向に沿って移動する。図２の駆動装置におけるピストンロッド２３では当然、所望のストローク領域の長さでのみこのような溝が設けられていればよい。図７は、図６と同じローラねじアセンブリ３３’の断面を示している（溝は不図示）。前述した通り、本発明に係る駆動装置は、回転運動を直線運動に変換するための図示される装置に限定されない。

図８および図９には、本発明の第１態様に関して上で説明した駆動装置の実施形態の特定の例が示されている。図８および図９は、図２に示される形式の２つの駆動装置１０３を備えるポンプ装置１０１、ならびに４つのホースダイヤフラム・ポンプ１０５を示している。ポンプアセンブリ１０１を１つの論理ユニットのポンプとして機能させるために、４つのホースダイヤフラム・ポンプ１０５の入口は同じ供給源に接続されているのが好ましく、それらの出口も同じく結合されているのが好ましい。図２において説明した駆動ユニットと同様に、ホースダイヤフラム・ポンプ１０５の入口はそれぞれの入口弁１５’にあり、出口はそれぞれの出口弁１７’にある。

先に述べた通り、駆動装置１０３として、好適には本明細書において先に説明した種類のものを用いるのが好ましい。

各駆動装置には、各電気モータ３１を動作させるための電源供給ソケット１０７が配置される。

駆動装置１０３の機能チャンバー２７’をホースダイヤフラム・ポンプ１０５に接続するために、機能チャンバー２７’とホースダイヤフラム・ポンプ１０５との間の接続管１０９として流路が配置される。接続管１０９は、共通のチャンバーの一部をなし、駆動装置１０３内の機能チャンバー２７’とポンプ１０５のダイヤフラム１１１の外側のチャンバー２７’’（図９）とを備える。

図９には、ホースダイヤフラム・ポンプがより詳しく示されている。ダイヤフラム１１１はホース形状を有し、入口弁１５’と出口弁１７’との間に延在する。弁１５’、１７’は、逆止弁である。

図８および図９に示されるポンプ装置１０１の他の構成部品は、図２および図５の関連で先に説明された通りである。

２つの電気モータ３１、すなわち各駆動装置１０３に１つずつのモータを使用することにより、これらは好ましくは反対方向に回転可能であるように駆動される。これにより、ポンプ装置１０１全体のねじりモーメントをなくすことができる。

同じ駆動装置１０３に接続される２つのホースダイヤフラム・ポンプ１０５が、この構成では逆位相で駆動される。つまり、１つのポンプ１０５の駆動装置１０３からの圧力が高まり、他方のポンプ１０５では圧力が低下する。また、図８および図９に示されるポンプアセンブリ１０１では、２つの駆動装置１０３は、一方が他方の１／４サイクル、または９０°遅れて駆動される。

ポンプ装置に２つより多くの駆動装置１０３を配置することも考えられる。たとえば、６つまたはそれ以上のポンプに接続される３つまたはそれ以上の駆動装置を配置することも可能である。こうして、ポンプされるべき媒体を非常に安定的にポンピングすることが可能であり、機械部品の摩耗も低減される。ポンプが６つある装置では、たとえば各ポンプが３６０°サイクルのうちの６０°の間ポンプするように構成することが可能である。ポンプが相互にオーバーラップし、たとえば各ポンプが３６０°サイクルの７０°の間ポンプするよう構成することが可能である。各ポンプの機能における最初と最後の５°は、それぞれサイクルの前後のポンプと共通させることが可能である。

駆動装置において電気モータを使用すると特に長所となるのは、ピストンロッドのストロークが調節可能であることである。図１０は、１回の全ストローク長で（ストローク方向）のポンピングの例を示しており、その際モータ（およびナットと歯車装置）からの回転エネルギー全体がポンプ媒体（図２のピストン２１ａ、２１ｂとダイヤフラム２９ａ、２９ｂとの間の液体）に伝達される。電気モータのロータのロータ速度グラフから分かるように、この工程は概ね、ロータ速度が上昇する加速期と、ロータ速度が比較的均一である定常期と、ロータ速度がゼロ回転まで減少する最終減速期とに分割可能である。また、サイクルの終わりに近付くにつれて、ピストンを終了位置へもたらすためにより多くの電気エネルギーが使用されることが通常である。

図１１は、１回の全ストローク長におけるポンピングの例を示しており、回転エネルギーの一部はポンプ媒体に伝達され、残りの回転エネルギーは回転の減速のためモータにより戻される。したがって、電気モータはストロークの最後には発電機として機能する。生成された電気エネルギーはたとえば中間で蓄電器に保存されるか、またはたとえば他の駆動装置内の他の電気モータに直接送られることが可能である。

したがって、電気モータの電気制御は、多数の可能性をモータの制御をもたらす点で有利である。モータの速度、加速度、トルクを、たとえばポンプされる媒体およびその状態（温度、粘度、比重等）のパラメータおよび駆動装置の状態（温度、流体室内の流体種類、年数等）に基づいて、調整することが可能である。また、所望の速度を決定する際、固有振動数を考慮することが好ましい。

本発明に係る構成において、回転永久磁石モータを使用するのが好ましい。また、電気モータは、非同期モータまたは同期モータであってよい。電気モータの種類としては、高効率および高トルクの電気モータが有利である。また、直流モータ、交流モータのいずれをも使用することが可能である。

反対のストローク方向に電気モータの回転方向を変更する代わりに、ローラねじ装置、または回転運動を直線運動に変換するための対応する装置としてもよい。これは、電気モータの回転方向は変わらずにストローク方向が自動的に変更されるような構成である。

他の実施形態では、電気モータのステータはハウジング１９外に配置されることが可能である。その際、駆動装置内の流体が充填されるチャンバーを開けることなく、保守管理のためにステータを交換または取り外すことが可能である。ステータはハウジング１９内に統合されることも可能である。

図１２は、駆動装置にクラッチ１４５ａ、１４５ｂまたは解除機構が設けられる有利な実施形態を示している。簡潔化するために、図１２には本発明に係る駆動装置の基本的な部品のみが示されている。前述の駆動装置に対応して、電気モータの回転運動をピストンロッド１２３の直線運動に変換するために、ピストンロッド１２３にはナット１３３ａが設けられる。ピストンロッド１２３の各端部には、ピストン１２１ａ、１２１ｂが配置される。ピストンロッド１２３がナット１３３ａとともに回転することを回避するために、ピストンロッド１２３には直線ガイド部１３５が係合する。直線ガイド部は、たとえばボールスプライン、スプライン、多角形軸等のうちのいずれかであればよい。直線ガイド部１３５は、ピストンロッド１２３を直線的に移動させつつ、これを一定の回転位置に維持する。これにより、通常動作時には直線ガイド部１３５とピストンロッド１２３との間には回転力が存在する。

ピストンロッド１２３への不測のまたは過剰な負荷がかかった場合、ピストンロッドの直線運動を停止して過剰なトルクから解放するために、ピストンロッド１２３をナット１３３ａと共に回転させることが望ましい。これを可能にするため、内側クラッチ部品１４５ａと外側クラッチ部品１４５ｂとを備えるクラッチ装置が設けられる。外側クラッチ部品１４５は、ハウジング（不図示）に回転可能に固定される。内側クラッチ部品１４５ａおよび直線ガイド部１３５にピストンロッド１２３から過度のトルクがかかると、内側および外側クラッチ部品１４５ａ、１４５ｂの間の回転接続が滑り始める。これが生じると、ピストンロッド１２３はナット１３３ａと共に回転を始め、その直線運動が停止する。

クラッチ装置１４５ａ、１４５ｂとしては多様な形式のものが考えられる。クラッチ装置の機能的特徴は、たとえば磁石、スプリング力、転がり抵抗または摩擦に基づくものである。せん断ピンによる解決法も考え得るが、この場合はクラッチの作動または解除機能後に、より多くの手間がかかることになる。

クラッチ装置のトルク閾値は、たとえば内側および下方のクラッチ部品１４５ａ、１４５ｂを相互に押圧する力を調節することによって調節可能であることが好ましい。このような特徴により、機械的に安全な機構が提供され、これによりピストン１２１ａ、１２１ｂからの流体への過度な力が回避される。

クラッチ装置の長所は、作動時に駆動装置に何ら損傷を与えないことである。また、作動後に駆動装置は直ちに使用可能である。

さらなる有利な特徴は、モータまたはピストンロッドがそれぞれ、ある特定の時間にどこの位置にあるかを監視するため電気モータのフィードバックに駆動装置を適応させることである。これは、たとえばモータを追従する回転位置レゾルバ、またはロッドの直線運動を追う直線位置決め装置を用いて、またはモータ制御装置によるモータのインピーダンス測定により、場合によっては終了位置センサを用いて実施される。

ここで説明した駆動装置の他の態様として、電気モータの代わりに油圧モータを使用してもよい。

図１３は、ポンプ装置における２つの駆動装置の速度曲線を示している。これは好適には、図８および図９関連して説明されたポンプ装置（１０１）のようなポンプ装置であることが可能である。２つの駆動装置は、上述の駆動装置１０３であることが可能である。

図１３の曲線は、４つのピストンＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの絶対速度を示しており、第１駆動装置１０３は２つのピストンＡ、Ｂを備え、第２駆動装置１０３は２つのピストンＣ、Ｄを備える。図１３の左側を参照すると、ピストンＡがゼロ速度から正規化速度１まで一定の加速度で加速する。ピストンロッド２３のストローク終端では速度はゼロとなる。往復ストロークの２つの終端位置の間にある中央位置で速度は最大となる。駆動装置１０３の１サイクルは、図１３の曲線に従って、接続するポンプ１０５（図８および図９を参照）に対して両方のピストンＡおよびＢが、ポンピング動作が１回行われた際に行われることとなる。

第２駆動装置１０３のピストンＣおよびＤの曲線は、第１駆動装置１０３に対して９０°すなわち１／４サイクル（１／４ｃｙｃｌｅ）遅れている。図１３に示されるように、第１および第２駆動装置１０３の２つの曲線の和は一定である。つまり、これらの絶対速度の合計は常に「１」（正規化）である。この特徴により、リップルがなく、ポンプアセンブリ１０１のポンピング速度が一定になる。

ピストンロッド２３およびこれに取付けられるピストン２１ａ、２１ｂ（またはＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の位置と速度と加速度との間の関係は、図１４、図１５、図１６に示される。

ピストンまたはピストンロッドの加速度を示している図１６を初めに参照すると、加速度は正の一定値と、対応する負の一定値との間で交互に入れ替わることが分かる。つまり、ピストンロッドの往復ストロークの２つの終端位置の間の中央にある中間位置から減速が開始する。この減速は、終端位置でゼロ速度になる。しかし相対減速は継続し、これはゼロ速度から継続するため実際は絶対的な加速となる。したがって、終端位置からピストンロッドが中間位置に達するまで、速度は上昇する。ここで加速度の符号が変わり、ピストンロッドは再び他方の終端位置に達するまで減速する。終端位置は実際のフルストロークの終端位置とは異なる場合がある。

図１５は、ポンプ装置１０１（図８および図９を参照）の第１および第２駆動装置１０３の２つのピストンロッドに生じる速度を示している。図１５から明らかになるように、速度曲線は「ハット関数」または三角形関数である。このような関数は、図１６の加速度曲線の積分により生じる。

図１５の速度曲線の積分により、図１４の二次曲線が生じる。これらの曲線の最上点および最下点は、２つの駆動装置の２つのピストンロッドの終端位置を表している。

本実施形態よれば、ピストンロッド２３の急激な動作がない点が有利である。しかし、ピストンの動作は実際には必要に応じて、ポンプ装置からの一定的な複合流を確保するために作動許容範囲内で不規則であってもよい。この特徴のさらなる長所は、パイプや弁のような接続設備における摩耗が低減されることである。

図１７は、ポンプ装置１０１の各駆動装置の２つのピストンロッド２３におけるトルクを示している。２つの駆動装置１０３の各電気モータ３１からの加速は、その他の曲線の半分の周期でのトルク曲線と同様である。ローラねじ装置３３を介してモータからピストンロッドに作用する力は、中間位置の２つの交差の間で一定である。しかし、電気モータの方向が終端位置で変わるため、トルク曲線はその他の曲線の半分の周期を有する。これは、２つの駆動装置１０３によりポンプアセンブリ１０１に伝達される力が、電力供給源から一定に保たれることを意味する。図１８は、図１７と同じ曲線を示しているが、駆動部Ｉおよび駆動部ＩＩとして示される２つの駆動部の加速および減速に関して表示がなされている。

図１９は、ピストンロッドの速度曲線が、ポンピング速度に関して変化する様子を示している。第１および第２駆動装置１０３の２つの速度の和を一定に保つために、第１駆動装置が速度を下げると第２駆動装置はこれに対応してその速度を下げ、サイクルの長さを同じにしなくてはならない。図１９では、これが２つの異なる速度Ｖ_ＡおよびＶ_Ｂにて示される。図に示されるように、第１駆動装置のサイクル（ここでは２つの異なるサイクル長さｔ_１Ａおよびｔ_２Ａで示される）は、第２駆動装置のサイクル長さ、すなわちｔ_１Ｂおよびｔ_２Ｂに対応しなくてはならない。これは、周期の一部の場合も有効である。

一定の合計速度を保つためにその他の形の曲線も考えられる。これは、生じる微分方程式の解に基づきモータ制御に関して数学的近似法を用いて計算可能である。ガラーキン法に基づく近似解によりリアルタイムに行われることが可能である。

さらに、１つのポンプアセンブリに２つより多い駆動装置１０３、たとえば３つ、４つまたはそれ以上を、瞬間速度の和が一定に保たれる限りは使用してもよい。これは、速度曲線の周期的結合がないことも含まれる。

ローラねじ装置と永久磁石モータとを組み合わせた駆動装置は、ピストンロッド２３およびこれに接続されるピストン２１ａ、２１ｂのトルクおよび速度の非常に正確な制御を可能にする。上述の組み合わせにより、減速状態にある駆動装置から加速状態にある駆動装置にエネルギーを伝達することが可能である。

また、本発明の第２態様に係るポンプ装置の有利な実施形態では、駆動装置１０３は、別の駆動要素１０３の挙動に基づき制御されるよう構成される。これは図２０に示されており、この図はポンプ装置１０１（図８および図９を参照）の２つの駆動装置１０３の速度曲線を示している。各駆動装置１０３は、２つのポンプ１０５またはポンプヘッドに接続される。電気モータ３１用のセンサ手段および／またはモータ制御部（不図示）が、駆動装置１０３の挙動に関する入力を提供することが可能である。この図に示される状況では、第１駆動装置Ａ（実線）が、ストローク中のｔ_１の時点でその加速度値を変更する。このような変更の理由は、ポンプ媒体の変更、またはその他の外的または内的の要因である。第２駆動装置Ｂ（点線）は、一定の合計速度を維持するためにこの変化に適応する（連続的な水平曲線を参照）。これにより、ｔ_１の時点でその減速度を、第１駆動装置Ａの低下した加速度に応じて変更する。

曲線は、その一定の速度の和を維持しつつも、駆動装置の作動許容範囲内で多少不規則であってもよい。

図２０からは、第１駆動装置Ａの曲線が、１／４サイクル（１／４ｃｙｃｌｅ）でその上部点に至らないことが分かる。しかし、１／２サイクル（１／２ｃｙｃｌｅ）では意図される下部点に当たるよう構成されている。第２駆動装置Ｂに関しても同様のことが観察される。

その後、１／２サイクル（１／２ｃｙｃｌｅ）で第２駆動装置Ｂの加速度は低下し、第１駆動装置Ａでこれに対応して加速度が低下する。しかしその合成速度は前と同じままである。一方向へのストローク内の速度曲線の下方の領域は、そのストロークのストローク長さを表している。

制限要因は加速度／減速度であり、ここでは線形曲線の上昇または下降により表されている。

図２１は、本発明の第１態様に係る駆動装置１１１の他の実施形態を示している。ここでは、図１２に関連して詳細に説明したクラッチ装置１４５および直線ガイド部１３５が示されている。図２１では、さらに、ピストンロッド２３の意図されない過剰な直線運動があった場合にこれを抑制するため、ばね手段２０４が配置される。

図２２では、ばね手段２０４の機能が詳細に説明される。ばね手段２０４は、第１スリーブ２０３に対して滑動するよう配置される。さらに、第２スリーブ２０２がハウジング２１９に対して滑動可能である。ピストンロッド２２３が図２２の右側へ向かって移動すると、リング２０１が第１スリーブ２０３に向かって押圧され、これが第２スリーブ２０２を介してばね手段２０４へ力を伝達する。

ピストンロッド２２３が図２２の左側へ向かって移動すると、ピストンロッド２２３の縁部８が第１スリーブ２０３のスリーブ縁部２０９に対して押圧され、これにより第１スリーブ２０３が、右側からのばね手段２０４の圧縮による張力を伝達する。ばね手段２０４は、ハウジング２１９に対して圧縮される。有利には、ばね手段２０４のばね特性は、所望のブレーキ経路に応じて適合される。

両方向へのピストンロッド２３の意図されない過剰な直線運動を抑制するために１つばね手段２０４を使用することにより、小型な設計が達成される。ばね手段２０４は、たとえば皿ばね等の、多様な形式のものを使用することが可能である。

本発明の第１態様に係る駆動装置、または本発明の第２態様に係るポンプ装置に使用される駆動装置は、３０００ｌ／ｍｉｎの加圧能力で最大９０ｂａｒの圧力上昇をもたらすことが可能である。より好適には、これは４０００ｌ／ｍｉｎで最大１２０ｂａｒの圧力上昇をもたらすことが可能である。

これ以外の実施形態も可能である。本発明の範囲は請求項により限定されるが、当業者であれば、発明の範囲から逸脱することなく、上述の実施例に複数の変更を加えることが可能であろう。

１１ 駆動装置
１９ ハウジング
２１ａ 第１ピストン
２１ｂ 第２ピストン
２３ ピストンロッド
２５ａ シール
２５ｂ シール
２７ａ 第１機能チャンバー
２７ｂ 第２機能チャンバー
３１ 電気モータ
４１ 流体チャンバー

Claims (16)

1. ポンプ、圧縮機またはこれらに類似する機器に用いられる駆動装置（１１）であって、
   棒部材（２３）の往復運動の結果として、ポンプまたは圧縮機のチャンバーなど、少なくとも２つのチャンバー（２７ａ、２７ｂ、２７’、２７’’）内に可変圧力を供給するように構成され、
   前記棒部材（２３）が、前記チャンバーと流体接続されるピストン（２１ａ、２１ｂ）又はプランジャとしての、２つの可動圧力チャンバー面に接続され、
   前記棒部材（２３）が、ハウジング（１９）内で往復運動可能に支持されており、
   前記棒部材（２３）に往復運動をもたらすよう構成される電気モータ（３１）を備え、
   前記棒部材が、前記電気モータ（３１）のロータ（３１ｂ）を貫通して延在し、
   前記電気モータが電気回転モータである駆動装置。
2. 前記電気回転モータが電気同期モータである請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記電気回転モータが永久磁石モータである請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記電気モータ（３１）の前記ロータ（３１ｂ）が、少なくとも前記ハウジング（１９）と、前記ピストン（２１ａ、２１ｂ）またはプランジャとにより囲まれる流体チャンバー（４１）内に配置される請求項１から３のいずれか一項に記載の駆動装置。
5. 前記流体チャンバー（４１）には液体が充填されている請求項４に記載の駆動装置。
6. 前記流体チャンバー（４１）が、前記ピストン（２１ａ、２１ｂ）の対向する側の圧力より高い圧力にて加圧される請求項４または５に記載の駆動装置。
7. 海中での水深に応じた周囲圧力が加圧される状態で使用される請求項１から６のいずれか一項に記載の駆動装置。
8. 解除機構（１４５、１４５ａ、１４５ｂ）をさらに備え、該解除機構（１４５ａ、１４５ｂ）が、前記解除機構（１４５ａ、１４５ｂ）におけるトルク閾値に達するまで前記棒部材（１２３）の回転を回避し、
   前記解除機構（１４５ａ、１４５ｂ）が前記トルク閾値にて前記棒部材の回転を許容する請求項１から７のいずれか一項に記載の駆動装置。
9. 前記棒部材（２３）の両方向への過剰な長手方向運動を抑制するよう構成されるばね手段（２０４）を備える請求項１から８のいずれか一項に記載の駆動装置。
10. 第１および第２室（２７ａ、２７ｂ）の間に閉鎖可能である流体接続部をさらに備える請求項１から９のいずれか一項に記載の駆動装置。
11. ポンプ装置（１０１）であって、
    ２つの駆動装置（１０３）とこれらに接続されるポンプ（１０５）または圧縮機とを備え、
    前記駆動装置（１０３）が、棒部材（２３）の往復運動の結果として、前記ポンプ（１０５）または圧縮機のチャンバー（２７’’）内に可変圧力を供給するように構成され、
    前記棒部材（２３）が、ハウジング（１９）内で往復運動可能に支持されており、
    前記駆動装置（１０３）が、前記棒部材（２３）に往復運動をもたらすよう構成される電気回転モータ（３１）をさらに備え、
    前記棒部材（２３）が前記電気回転モータ（３１）の前記ロータ（３１）を貫通して延在し、
    前記電気回転モータ（３１）の各側には、その運動により前記チャンバー（２７’、２７’’）内の圧力が可変圧力とされるピストン（２１’）またはプランジャが接続され、
    前記可変圧力によりポンプ機能または圧縮機能がもたらされるポンプ装置。
12. 前記２つの駆動装置（１０３）が、相互の位相差に応じて動作する請求項１１に記載のポンプ装置。
13. ２以上の駆動装置（１０３）が、その各棒部材（２３）の瞬間速度の和が、１以上の連続するサイクルを通して一定であるよう動作する請求項１１または１２に記載のポンプ装置。
14. 前記２つの前記駆動装置（１０３）の各棒部材（２３）が、一定の正の値と、ゼロと、一定の負の値との間で変化する加速度で、加速および減速される請求項１３に記載のポンプ装置。
15. 前記２つの駆動装置（１０３）の各々は、前記駆動装置（１０３）の瞬間速度の和が一定に維持されるように、他方の前記駆動装置（１０３）の実挙動に基づき制御される請求項１３に記載のポンプ装置。
16. 前記２つの駆動装置が、前記電気回転モータ（３１）の運動の減速時に、その電気回転モータ（３１）の使用により電気エネルギーを生成するよう構成されており、
    生み出された前記電気エネルギーが、前記ポンプ装置を構成する別の駆動装置の前記電気回転モータ（３１）に、前記別の駆動装置（１０３）の加速時に伝達され、前記加速時以外には電源にフィードバックされる請求項１１から１５のいずれか一項に記載のポンプ装置。
    

Images