JP2022095546A - スクリュースピンドルポンプによって流体を搬送する方法及びスクリュースピンドルポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】気体と液体の混合物を搬送する場合のコスト又は技術的複雑性を低減したスクリュースピンドルポンプを提供する。【解決手段】スクリュースピンドルポンプ（１）によって流体を搬送する方法であって、前記スクリュースピンドルポンプの少なくとも１つの駆動スピンドル（５）が非同期モータ（１０）によって駆動され、前記非同期モータを第１の目標周波数（３７）で動作させ、流体（４５）として気液混合物が搬送され、前記流体の液体割合に依存した測定量が検出され、前記測定量に依存した周波数変更条件が満たされた後に、前記非同期モータを前記第１の目標周波数に比べて低減された第２の目標周波数（３８）で動作させる、方法。【選択図】図１

Description

本発明は、スクリュースピンドルポンプによって流体を搬送する方法であって、スクリュースピンドルポンプの少なくとも１つの駆動スピンドルが非同期モータによって駆動される、方法に関する。それと並んで、本発明はスクリュースピンドルポンプに関する。

スクリュースピンドルポンプは、多くの分野で流体を搬送するために使用される。この場合、原油や石油などの純粋な液体媒体を搬送することができる。しかし搬送されるべきものが石油と天然ガスなどの気体と液体の混合物であることが多い。

気体割合が比較的高い気液混合物を従来のスクリュースピンドルポンプで搬送する場合、気体圧縮は主に、すでに比較的高圧になっているポンプチャンバからの液体が前のポンプチャンバに逆流し、そこで気体を圧縮することで起こる。この場合、流体がまず比較的急峻な圧力勾配に向かって送られ、続いてより低い圧力の領域に少なくとも部分的に逆流することが不利である。これにより、典型的には、気体割合とはほとんど無関係の出力がポンプに要求される。したがって、気体割合が高い場合でも、純粋な液体を搬送する場合に行われるのと全く同じポンプの設計及び制御が行われる。

対応するポンプの社内発展形態の範囲内で、ポンプジオメトリ及び回転数を適切に選択することによって、例えば９０％以上の高い気体含有率の多相での動作においてスクリュースピンドルポンプが必要とする駆動出力を、純粋な液体輸送の場合よりも例えば２５％低減することを達成できることがわかった。

しかし多相混合物が搬送される多くの用途、例えば石油と天然ガスを一緒に搬送する分野では、プラグフローが生じる可能性があるため、一時的にほぼ１００％の液体割合で流体を搬送する必要がある。しかし前述の発展形態は気体含有率が高い場合にのみ必要な駆動出力を低下させるので、結果としてこの種の用途においてエネルギーコストが顕著に削減される。しかし、スクリュースピンドルポンプが純粋な液体輸送のために十分な出力を提供するように非同期モータを設計する必要がある。したがって、多くの用途において、スクリュースピンドルポンプの駆動装置をより小さく寸法設定できるようにするため、及びそれによりスクリュースピンドルポンプの調達コストを下げるために、気体含有率の高い流体を輸送する場合にのみ必要な駆動出力を減らすというだけでは不十分である。

したがって、本発明は、スクリュースピンドルポンプを提供するためのコスト又は技術的複雑性を低減するという課題にもとづいている。

上記課題は、スクリュースピンドルポンプによって流体を搬送する方法であって、スクリュースピンドルポンプの少なくとも１つの駆動スピンドルが非同期モータによって駆動され、
－非同期モータを第１の目標周波数で動作させ、流体として気液混合物が搬送され、
－流体の液体割合に依存した測定量が検出され、
－測定量に依存した周波数変更条件（Ｆｒｅｑｕｅｎｚａｎｄｅｒｕｎｇｓｂｅｄｉｎｇｕｎｇ）が満たされた後に、非同期モータを第１の目標周波数に比べて低減された第２の目標周波数で動作させる、方法によって解決される。

後からさらに詳しく説明するように、特にスクリュースピンドルポンプの回転数が比較的高い場合に、気体含有率が高い流体を搬送するために必要な駆動出力を、純粋な液体を搬送するために必要な駆動出力に比べて低減することを達成することができる。比較的小型のポンプで十分に高い回転数を達成するために、いわゆる弱界磁領域（Ｆｅｌｄｓｃｈｗａｃｈｂｅｒｅｉｃｈ）で非同期モータを動作させることが有利であり、この弱界磁領域では、非同期モータの巻線に通電するために使用される最大電圧が、コイルのインダクタンス及び使用される周波数にもとづいて、非同期モータの最大電流、したがって最大磁界強度を達成するのに十分でない。このことは、周波数変更条件が満たされた場合に目標周波数が低下し、その結果、磁界弱化が生じないか、少なくとも少なくなり、したがって同じ出力でより高いトルクを提供できることで、本発明による方法で利用される。したがって、非同期モータは、第１の目標周波数で、例えば少なくとも９０％の高い気体割合、又はそれに対応して最大１０％の液体割合の流体を搬送するのに十分に高いトルクを提供するように寸法設定され得る。測定量をもとにして、流体の液体割合が高すぎることが確認された場合、周波数変更条件を満たすことから、目標周波数を下げることができ、それによって液体割合がより高い流体、例えば純粋な液体を搬送するのに十分に高いトルクを提供することができる。したがって、非同期モータ及び／又はその電力供給部を、実質的に同じ吐出量（Ｆｏｒｄｅｒｌｅｉｓｔｕｎｇ）で、本発明による周波数の低下なしに可能であるよりも小さく寸法設定することができる。

それぞれの目標周波数は、非同期モータに給電するモータ制御部又は周波数変換器に提供され得る。目標周波数は、非同期モータの極対数に応じて、非同期モータの目標回転数を指定できる。非同期モータにスリップがあるにもかかわらず実際に目標回転数を達成するために、非同期モータに供給される交流電流の周波数を、例えば回転数フィードバック又は予め定められたオフセットにもとづき目標周波数よりも高くすることができる。あるいは、目標周波数を非同期モータに供給される交流電流の周波数として直接使用することもでき、それにより非同期モータの実際に達成される回転数が、スリップにもとづいて目標回転数よりもいくらか小さくなる。

より低い第２の目標周波数での動作が基本的に測定量又は液体割合とは無関係に行われるという流体を搬送する代替的方法に比べて、本発明による方法によっていくつもの利点が達成される。一方で、周波数変更条件が満たされない間は第１の目標周波数を使用する結果として、非同期モータ、したがって駆動スピンドルの回転数が、第２の目標周波数での動作に比べて高くなり、したがって、スクリュースピンドルポンプの吐出量も高くなるが、その他は同じ設計である。このことは周波数変更条件が動作時間の一部の間だけ満たされる場合に特に有利であるが、それはこの場合、第１の目標周波数を一貫して使用し、それに対応して非同期モータの設計を適合させた場合とほぼ同じ搬送量が本発明による方法によって達成されるからである。例えば、液体プラグがごくまれに、又は短期間だけ搬送され、それ以外では気体割合が高い用途において、本発明による方法は、常に第１の目標周波数で動作する相応に大きく設計された非同期モータによって達成されるのとほとんど同じ吐出量を達成する。

すでに説明したように、比較的高い回転数の使用は、純粋な液体を搬送する場合に比べて、気体割合が高い流体を搬送する場合に必要な駆動出力を特に格段に低減することを可能にする。したがって、使用される目標周波数、したがって回転数を持続的に低減することは、液体割合が非常に低い流体が動作時間の大部分にわたって搬送される場合、必要な出力に関して不利であろう。

本発明による方法では、スクリュースピンドルポンプの動作中に、始動段階及び停止段階を別として、特に周波数変更条件が満たされた場合、又は満たされた後にのみ、目標周波数を第１の目標周波数に比べて低減することができる。測定量の検出及び周波数変更条件の検査は、殊に繰り返され、特に定期的に実行される。特に、第２の目標周波数への切替え後、又は周波数変更条件が満たされた後にも、測定量を引き続き監視することができ、さらなる周波数変更条件を評価することができ、周波数変更条件が満たされた場合、又は満たされた後に第１の目標周波数への再切替えが行われる。

言い換えれば、制御装置は、非同期モータを第１の動作モードでは第１の目標周波数で、第２の動作モードでは第２の目標周波数で動作させ、測定量に依存して、すなわち特にその周波数変更条件又はさらなる周波数変更条件が満たされた場合に動作モードが切替えられる。

非同期モータの動作のために使用される交流電流は、特に、三相電流又は相間で特に１２０°位相シフトする三相交流電流であり得る。この場合、非同期モータのさまざまな極が多相交流電流の異なった位相で通電される。

測定量は、非同期機によって加えられるトルク、又は非同期機に供給される交流電流の電流強度、又は非同期機の回転数に該当し得る。搬送される流体中の液体割合が比較的高い場合、駆動スピンドルの回転、したがって非同期モータの回転が、比較的大きいブレーキトルクを打ち消す。このことは、まず駆動スピンドル、したがって非同期モータの制動をもたらし、これを回転数の監視によって認識することができる。

同時に、この回転数の低下は、非同期機のスリップを大きくする。非同期機は、典型的には、転換点（Ｋｉｐｐｐｕｎｋｔ）よりも高い領域で動作するため、このようなスリップの増加は非同期機のトルクの増加につながり、したがって、より高い交流電流の電流強度、特により高い有効電流にもつながる。加えられたトルクは、例えばトルクセンサにより検出することができる。電流強度又は有効電流の強度は、電流センサによって検出できる。この場合、特に、周波数変換器、すなわち例えば電圧又は電流変換器が、多くの場合、すでに、例えば有効電流に比例する電圧などの電流強度に該当する情報を別個の出力に提供するということを利用でき、それによって、例えばそのような出力で取り出すことによって測定量を検出することができる。

液体割合に依存する非同期機のパラメータに該当する測定量による液体割合の上記の間接的な検出に加えて、又はこれに代えて、例えば搬送される流体の電気伝導率、熱伝導率、温度伝導率、又は密度などの少なくとも１つの流体パラメータを測定量として直接検出及び評価することもできる。

対応する流体量を検出するための手順は基本的に従来技術で知られており、本発明の方法において、液体割合を検知するため、又は周波数変更条件の範囲内で測定量として評価するために使用することができる。

第１の目標周波数から第２の目標周波数への切替えは、周波数変更条件が満たされた後に、時間インターバルにわたって連続的に又は複数の段階で行うことができる。これに加えて、又はこれに代えて、第１の目標周波数から第２の目標周波数への切替えを、測定量を予め定められた値になるよう制御する制御回路によって行うことができる。目標周波数を連続的又は少なくとも複数段階で変化させることによって、スクリュースピンドルポンプのコンポーネントに強度の機械的負荷をもたらす可能性のあるトルクの突然の変化が回避される。例えば、目標周波数を、例えばマイクロコントローラによるデジタル信号処理によって指定することができ、マイクロコントローラは、周波数変更条件が満たされた場合に目標周波数を疑似的に連続してランプ状に変化させる。

目標周波数を制御量として制御する制御回路として、一般的な制御器、例えば積分制御器又は比例積分制御器を使用することができる。対応する制御回路が第１の目標周波数を超えることができないように形成された場合、すなわち制御が第１の目標周波数で飽和する場合、周波数変更条件が満たされることは、第１の目標周波数を下回る、したがって制御挙動が飽和されていない制御器状態に相当する。制御回路の使用は、特に、実際の液体割合又はその評価に依存して、必要な加えられるトルクに関して、回転数を維持するのに適した目標周波数に制御することを可能にする。

第１の目標周波数を、所定の最大動作電圧で弱界磁領域が始まる非同期機のコーナ周波数よりも少なくとも１０％、又は少なくとも２０％大きくすることができる。これに加えて、又はこれに代えて、第１の目標周波数は、コーナ周波数よりも最大３０％、又は最大４０％大きくすることができる。第１の目標周波数は、特にスクリュースピンドルポンプの制御動作で使用される。冒頭で説明したように、特に液体割合が低く、したがって気体割合が高い流体を搬送するために、比較的大きい回転数を使用すること、したがって非同期機を弱界磁領域で、すなわちタイプ点（Ｔｙｐ－Ｐｕｎｋｔ）とも呼ばれるコーナ周波数よりも高い領域で動作させることが有利である。ただし、達成されるトルクは、コーナ周波数と目標周波数の商の２乗にほぼ比例し、それにより第１の目標周波数がコーナ周波数を超えすぎると、結果としてトルクが非常に小さくなるだろう。したがって、第１の目標周波数については上記の範囲が有利であることがわかった。

これに加えて、又はこれに代えて、第２の目標周波数は、コーナ周波数以上であり得る。この第２の目標周波数の選択は、目標周波数をコーナ周波数よりも低くした場合、非同期モータに供給される電圧が低減されることになり、過剰な電流と、したがって非同期モータの起こり得る損傷とが回避されるため有利である。ただし、その結果、コーナ周波数よりも低い領域で、典型的にはトルクが一定になり、それによって目標周波数をコーナ周波数よりも下に低下させても、それ以上の利点が得られず、同時にスクリュースピンドルポンプの吐出量が減少するだろう。

コーナ周波数又はタイプ点は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの電源の周波数に相当し得るので、結果として、例えば極対（Ｐｏｏｌｐａａｒｅ）が２つの場合に電源動作時に同期回転数が１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍになるだろう。次に、動作点又は第１の目標周波数を、例えば７０Ｈｚとして選択することができ、その結果、通常動作時、すなわち液体割合が高すぎない場合に同期回転数が２１００ｒｐｍとなる。

本発明による方法では、スクリュースピンドルポンプを使用することができ、スクリュースピンドルポンプは、少なくとも１つの流体入口と流体出口を形成する、かつスクリュースピンドルポンプの少なくとも１つの駆動スピンドルと、駆動スピンドルと回転結合された少なくとも１つの従動スピンドルとが収容されたハウジングを有し、駆動スピンドル及び従動スピンドルが、駆動スピンドルの各回転位置においてハウジングと共同で複数のポンプチャンバを画定し、非同期機によって駆動スピンドルが駆動方向に回転させられ、それによって、ポンプチャンバのうちの、最初にそれぞれの流体入口に向けて開いていたそれぞれのポンプチャンバが閉鎖され、その結果閉鎖されたポンプチャンバが流体出口に向かって軸方向に移動され、そこで開放回転角度に達した場合に流体出口に向けて開かれ、駆動スピンドルは、少なくとも周波数切替条件（Ｆｒｅｑｕｅｎｚｗｅｃｈｓｅｌｂｅｄｉｎｇｕｎｇ）が満たされる前に、所定のポンプジオメトリのスクリュースピンドルポンプにおいて液体割合が限界値を下回る場合、それぞれのポンプチャンバ内の圧力が、開放回転角度に達する前及び／又は達した場合に、それぞれの流体入口の領域に存在するスクリュースピンドルポンプの吸込圧力に比べて、吸込圧力と流体出口の領域の圧力との間の差圧の最大２０％又は最大１０％高くなるように駆動される。このことは、例えば１％又は３％又は５％又は１０％又は１５％の液体割合の限界値まで、又はこれらの値間の限界値まで当てはまり得る。

ポンプジオメトリ及び／又はポンプの回転数を適切に適合させることにより、ポンプチャンバ間に残った隙間を通る流体の逆流を、スクリュースピンドルポンプによって生成される圧力上昇の大部分が、それぞれのポンプチャンバが流体出口に向けて開いた後に初めて生じるようにまでに低減できることが認識された。この場合、回転数が十分であるか、又はポンプジオメトリが適切な場合、少なくともおおよそ、流体出口の領域にすでにある液体は、その慣性にもとづいて、開きつつあるポンプチャンバに実質的に流入するのではなく、その代わりに、この液体をほぼ剛性壁とみなすことができ、この壁に向かって気液混合物が圧縮されると考えることができる。したがって、開きつつあるチャンバ内の流体が高い気体割合を有する限り、ハウジングの剛性壁に向かって気体を搬送する気体圧縮機を用いたときと同様に良好な効率が達成される。しかし、この気体圧縮機とは対照的に、液体割合が非常に高い流体、又は純粋な液体を搬送することもできる。

開放回転角度に達する前には、それぞれのポンプチャンバは、公差にもとづく偏差を別として、流体入口に対して、又は流体入口の方向で隣接するポンプチャンバに対して、及び流体出口に対して等しく密封されている。したがって、両方向の流体交換は、実質的にポンプの径方向及び軸方向の隙間を介してのみ可能である。開放回転角度に達した場合のポンプチャンバの流体出口に向く開放は、ポンプチャンバを形成するそれぞれのスピンドルのねじ山、又は流体出口に向かうそれぞれのねじ山を画定する壁が、スピンドルの回転角度に依存した特定の角度位置で終わることによるものである。このことは、特定の限界角度から、この壁と、ポンプチャンバを画定するもう１つのスピンドルとの間に周方向の隙間が生じることをもたらす。ポンプチャンバは、周方向のこの隙間によって流体出口に向けて開かれる。したがって、開放回転角度は、軸方向隙間又は径方向隙間に加えて、周方向の隙間が生じ始める角度として定義することができる。あるいは、開放回転角度を、ポンプチャンバと流体出口との間の流体交換を可能にする流れ断面により定義することができる。この流れ断面が、閉鎖されたポンプチャンバに比べて５０％又は１００％又は２００％拡大される場合、この限界値への到達を開放回転角度への到達と定義することができる。

使用されるスクリュースピンドルポンプは、単流型又は複流型であり得、すなわち１つの流体入口、又は軸方向に向かい合う２つの流体入口を有することができる。スクリュースピンドルポンプは２つ、３つ、又はそれ以上のスピンドルを有することができる。個々のスピンドルは、例えば２条であり得る。ただし、個々の、又はすべてのスピンドルは、単条又は３条でもあり得、あるいはそれ以上の条数を有することができる。

それぞれの駆動スピンドル及び従動スピンドルのスクリュープロファイルは、駆動スピンドル及び従動スピンドルごとの、流体入口に対しても流体出口に対しても閉鎖されているポンプチャンバの数の平均値が駆動スピンドルの３６０°の回転角度にわたって最大１．５となるように選択され得る。例えば、正確に１つの駆動スピンドルと正確に１つの従動スピンドルが使用される場合、平均して最大３つのポンプチャンバを完全に閉じることができる。平均値は、例えば３６０°の角度にわたる駆動スピンドルのそれぞれの回転角度で閉じられるチャンバの数を積分し、続いてその結果を３６０°で割ることによって求めることができる。回転数が一定の場合、これは駆動スピンドルの回転周期で同時に閉じられたポンプチャンバの数の積分、及び回転周期による除算に相当する。

液体を搬送するためのスクリュースピンドルポンプでは、典型的には、軸方向に連続する比較的多数のポンプチャンバを使用することが望ましいが、本発明の範囲内で、スクリュープロファイルの長さを短くして、最大限同時に閉じられる比較的少数のチャンバを使用することによって、個々のポンプチャンバの容積がより大きくなることが認識された。したがって、ポンプ隙間を通って逆流する液体が同量であることにより、気体割合のために残っている容積の相対的変化が小さくなり、それによって気体圧縮が少なくなり、それに伴いポンプチャンバが流体出口に向けて開放する前の圧力上昇が少なくなる。

使用されるスクリュースピンドルポンプのポンプジオメトリと第１の目標周波数での目標回転数は、駆動スピンドル若しくは駆動スピンドルの少なくとも１つ、及び／又は従動スピンドル若しくは従動スピンドルの少なくとも１つのプロファイル外径における周速度が少なくとも１５ｍ／ｓとなるように選択される。これは、特にすべての駆動スピンドル及び従動スピンドルに当てはまり得る。周速度は、プロファイル外径、目標回転数、円周率の積として計算することができる。目標回転数は目標周波数に比例することができ、比例定数は非同期機の極対数によって指定される。したがって、特に高回転数又は大きいプロファイル外径を使用した場合に上記の条件を達成することができる。それによって、隙間を通って逆流する液体の気体圧縮への寄与を低減することができ、それによって高い気体割合でより高い効率を達成することができる。

これに加えて、又はこれに代えて、ポンプジオメトリと第１目標周波数での目標回転数は、それぞれのポンプチャンバの流体出口に向かって軸方向に移動するときの軸方向速度が少なくとも４ｍ／ｓとなるように選択され得る。軸方向速度は、それぞれのスピンドルの１つのねじ山又は複数のねじ山のピッチと回転数とに依存する。言い換えれば、高い軸方向速度は、高回転数及び／又は高ピッチ若しくは比較的長いポンプチャンバによって達成することができる。これらのすべてのファクタは、ポンプチャンバ内の圧力に対する逆流する液体の影響の低減、したがって上記の効率の向上につながる。

本発明による方法と並んで、本発明は、流体を搬送するためのスクリュースピンドルポンプであって、スクリュースピンドルポンプは、スクリュースピンドルポンプの少なくとも１つの駆動スピンドルと駆動スピンドルと回転結合された少なくとも１つの従動スピンドルとが収容されたハウジングと、駆動スピンドルを駆動するための非同期モータと、非同期モータに給電するための制御装置と、を有し、制御装置が、本発明による方法を実行するように設定されている、スクリュースピンドルポンプに関する。特に、制御装置は、非同期モータを第１の動作状態では第１の目標周波数で、第２の動作状態では第２の目標周波数で動作させる。制御装置は、上述した内部又は外部センサにより測定量を検出することができ、測定量に応じて第１動作モード又は第２動作モードで（非同期モータを）動作させることができる。特に、測定量に依存する周波数変更条件が満たされた場合、又は満たされた後に第２の動作モードへの切替えを行うことができる。

本発明によるスクリュースピンドルポンプを、本発明による方法について説明された特徴と、そこに挙げられた利点とを備えて発展させることができ、その逆もまた同様である。

特に、ハウジングは、少なくとも１つの流体入口と流体出口を形成することができ、駆動スピンドル及び従動スピンドルが、駆動スピンドルの各回転位置においてハウジングと共同で複数のポンプチャンバを画定し、非同期機は、駆動スピンドルを駆動方向に回転させるように設定され、それによって、ポンプチャンバのうちの、最初にそれぞれの流体入口に向けて開いていたそれぞれのポンプチャンバが閉鎖され、その結果閉鎖されたポンプチャンバが流体出口に向かって軸方向に移動され、そこで開放回転角度に達した場合に流体出口に向けて開かれ、それぞれの駆動スピンドル及び従動スピンドルのスクリュープロファイルは、駆動スピンドル及び従動スピンドルごとの、流体入口に対しても流体出口に対しても閉鎖されているポンプチャンバの数の平均値が駆動スピンドルの３６０°の回転角度にわたって最大１．５となるように選択される。

本発明によるスクリュースピンドルポンプでは、一方で駆動スピンドル若しくは駆動スピンドルの少なくとも１つ、及び／又は従動スピンドル若しくは従動スピンドルの少なくとも１つのスクリュープロファイルの内径が、それぞれのスクリュープロファイルの外径の０．７倍未満であり得、並びに／あるいは他方で、駆動スピンドル若しくは駆動スピンドルの少なくとも１つ、及び／又は従動スピンドル若しくは従動スピンドルの少なくとも１つのスクリュープロファイルの外縁と、ハウジングとの間の平均周方向隙間がそれぞれのスクリュープロファイルの外径の０．００２倍未満であり得る。内径と外径の差が比較的大きいため、ポンプチャンバの容積を大きくすることができ、それによって逆流する液体が同じ量になり、それによりポンプチャンバ内の圧力上昇が少なくなり、それに伴い流体の気体割合が高い場合に必要な出力が低くなる。これに加えて、又はこれに代えて、比較的狭い隙間は逆流する流体の量を制限することができ、したがって、高い気体割合で流体を輸送する場合の高効率にも寄与することができる。特に、周方向隙間の長さに沿う周方向隙間の幅の平均値を平均周方向隙間と見なすことができる。これに加えて、スピンドルの回転に伴う周方向隙間の変動を考慮に入れるために、３６０°の駆動スピンドルの回転にわたって平均化を行うことができる。

本発明のさらなる利点及び詳細は、以下に説明する実施例から、及び付属の図面から明らかになる。

図１は、本発明によるスクリュースピンドルポンプの一実施例の図である。 図２は、２つの非同期モータの目標周波数依存出力及びトルクの図である。 図３は、本発明による方法の一実施例のフローチャートである。 図４は、図１に示されたスクリュースピンドルポンプの詳細図である。 図５は、図１に示されたスクリュースピンドルポンプの詳細図である。

図１は、流体４５を流体入口３から流体出口４に搬送するためのスクリュースピンドルポンプ１を模式的に示す。流体４５を搬送するために、非同期モータ１０によって駆動される駆動スピンドル５と、伝動装置２６を介して駆動スピンドルと結合された従動スピンドル６とが、スクリュースピンドルポンプ１のハウジング２内に配置されている。明確にするために、単流型の、すなわち１つの流体入口３のみを有していて従動スピンドル６が１つだけ使用される比較的簡単な形式のスクリュースピンドルポンプ１が示される。ただし、以下の説明は、多流型スクリュースピンドルポンプ、又は２つよりも多いスピンドルを備えた、例えば複数の従動スピンドル若しくはそれどころか複数の駆動スピンドルを備えたスクリュースピンドルポンプにも適用され得る。

一般的なスクリュースピンドルポンプでは、上記の概要の部分ですでに説明したように、液体及び気体を輸送するために、非同期モータ１０の少なくともほぼ等しいトルク、したがって等しい出力が必要とされる。そのような一般的な設計のスクリュースピンドルポンプのトルク３１又は出力３２と回転数との関係が図２に示されている。そこでは、Ｘ軸は１分あたりの回転（ｒｐｍ）の単位で回転数を示し、左側のＹ軸２８は、ニュートンメートル（Ｎｍ）の単位でトルクを示し、右側のＹ軸２９は、キロワット（ｋＷ）の単位で出力を示す。

後から図４及び図５を参照してさらに説明されるように、対応するポンプの改良の範囲内で、スクリュースピンドルポンプ１のポンプジオメトリ及び回転数を適切に選択することによって、流体４５を搬送する場合に、高い気体割合、したがって低い気体割合で、必要なトルクが格段に低くなることを達成できることが確認された。したがって、高い気体割合の流体４５を搬送するために、比較的小さなサイズの非同期モータ１０を使用することができる。図２において、この比較的小さなサイズの非同期モータ１０についても、Ｘ軸２７にプロットされた回転数と、達成されるトルク３４又は必要な出力３５との関係がプロットされている。図２にプロットされた回転数は、それぞれの目標回転数である。さらに、図２において、それぞれの目標周波数３７、３８で達成された目標回転数が示されている。例えば、２つの極対を有する非同期機１０が使用される場合、７０Ｈｚの第１の目標周波数３７は、２１００ｒｐｍの目標回転数に相当する。

次いで、スクリュースピンドルポンプ１は、例えば２１００ｒｐｍの目標回転数、したがって対応する搬送量用に設計され、その際、高い気体割合の流体が輸送されると仮定した場合、その結果として、液体輸送のために必要となるであろう必要トルク３０の代わりに必要トルク３３が生じる。それに対応して、非同期機１０の必要とされる出力も少なくなり、ジオメトリ、回転数、及び液体割合に応じて、純粋な液体輸送の場合の出力３２の最大２５％の出力差３６を達成することが可能である。

多相混合物を輸送する場合、典型的には、均一な混合物を想定することはできないため、スクリュースピンドルポンプ１は、最大１００％の液体割合の流体４５を少なくとも一時的に輸送できるように設計されていなければならない。最も単純なケースでは、第１の目標周波数３７が使用される場合に、純粋な液体も搬送できるようにするのに十分に高いトルク３０を提供できるように非同期機１０を設計することが可能である。この場合、比較的低い出力で高い気体割合の流体４５を搬送する可能性は、エネルギー必要量、したがってスクリュースピンドルポンプ１の運転コストを低減するかもしれないが、非同期モータ１０を、これまでと同様に、純粋な液体輸送のために用いられるスクリュースピンドルポンプ用のものと同じ寸法にしなければならないため、技術的複雑さと調達コストは変わらないままであろう。

より小さいサイズの非同期モータ１０も使用できるようにするために、スクリュースピンドルポンプ１において、図３を参照して以下に説明する制御方法を実装する非同期機１０に交流電流４２を提供する制御装置１９を代わりに使用する。

この場合、工程Ｓ１において、非同期モータ１０はまず第１の目標周波数３７で動作される。この場合、この方法の説明の範囲内で、まず、比較的高い気体割合の気液混合物が送られ、それにより達成されるトルク３３は、所望の回転数を維持するのに十分であると想定される。

交流電圧４２を提供するために、例えば、提供された交流電流４３、特に三相電流は、直流電流４４を提供するために、まず整流器２０によって整流され得、続いてこの直流電流はインバータ２１によって交流電流４２に、特に同様に三相電流に変換される。インバータ２１は、例えば、パルス幅変調を用いて、目標周波数のより広い周波数範囲にわたって交流電圧４２を提供することができ、かつ電圧振幅を変化させることもできる。したがって、工程Ｓ１の手順は、電源電圧とは異なる目標周波数が所望されると直ちに、非同期モータに交流電流を提供するための一般的な手順に相当する。

工程Ｓ２において、測定及び制御要素２２によって、流体の液体割合に依存する測定量４６が検出される。流体４５の液体割合が増加すると、このことが駆動スピンドル及び従動スピンドル５、６、したがって非同期機１０に対してより大きいブレーキトルクをもたらし、それによって非同期機１０の回転数が低下する。このことはまた、より大きなスリップをもたらし、したがって、少なくとも非同期機の転換点にまだ達していない限りで、非同期機１０によって提供されるより高いトルク及び非同期機１０に供給される交流電流のより高い電流強度をもたらす。

したがって、適切な測定量を検出する簡単な可能性は、交流電流４２の電流強度を測定する電流センサ２３である。図１において、この電流センサは、わかりやすく示すために別のコンポーネントとして示されている。しかし、多くの場合、インバータ２１又は一般に交流電流４２を提供する周波数変換器は、出力信号、特に電流強度に比例する電圧をすでに提供することができるので、測定量を、例えば、この電圧のアナログ－デジタル変換によって検出することができる。

これに代えて、測定量として、例えば、駆動軸の領域に配置されたセンサ２４により回転数若しくはトルク、又は例えば流体４５の電気伝導率又は温度伝導率を測定する流体センサ２５の測定値を検出することもできるかもしれない。

工程Ｓ３において、測定量４６に依存する周波数変更条件４７が評価される。例えば、測定量が予め定められた限界値を上回るか、又は下回る場合に周波数変更条件が満たされ得る。例えば、非同期機によって加えられるトルク、若しくは非同期機に供給される交流電流の電流強度が限界値を超える場合、又は非同期機の実際回転数が限界値を下回る場合、周波数変更条件４７が満たされ得る。周波数変更条件４７が満たされない場合、方法を工程Ｓ１から繰り返すことができ、特に、測定量の検出及び周波数変更条件の検査を定期的に繰り返すことができる。

これに対して、周波数変更条件４７が満たされた後、工程Ｓ４において、非同期モータ１０は、第１の目標周波数３７に比べて低減された第２の目標周波数３８で動作される。トルクが突然変化することを回避するために、目標値周波数の変更を時間インターバル５０で行うことができる。図２に示されるように、より低い第２の目標周波数３８を使用することによって、示される例では、純粋な流体輸送の場合に最初に２１００ｒｐｍの回転数を使用したときに必要となるであろうトルク３０に相当するトルク３９を達成することができる。この場合、簡単にするために、回転数を維持するために必要なトルクが回転数に依存しないと仮定される。スクリュースピンドルポンプでは、低すぎない回転数で比較的低い回転数を維持するために、典型的には比較的低いトルクも必要であり、それにより第２の目標周波数３８は、図２に示されるよりもわずかに高くなるようにも選択することができるかもしれない。

第１及び第２の目標周波数３７、３８は、非同期機１０の弱界磁領域４０、すなわち制御装置１９によって提供され得る、又は非同期機１０に供給されることが許される最大動作電圧が制限されることにより、非同期機１０のコイルにおいて最大電流、したがって最大磁界強度に到達しなくなる領域にあるために、上記の必要に応じたトルク増加が可能である。高い気体割合の流体を輸送するための高効率を達成するために、駆動スピンドル及び従動スピンドル、したがって非同期機１０の比較的高い回転数を利用することが有利である。同時に小型のポンプを実現するために、典型的には、いずれにしても、スクリュースピンドルポンプの通常の動作中に、弱界磁領域４０の、すなわち非同期機１０のコーナ周波数４１よりも高い目標周波数を利用することが有利である。示されている例では、上記の効果を格段に際立たせるために、コーナ周波数４１よりも約４０％高い第１の目標周波数３７が使用される。上記の手順を実際に実現する場合、具体的な用途に応じて、典型的には、コーナ周波数４１よりも２０～３０％高い第１の目標周波数３７が目的に合っている。

第２の目標周波数３８で、したがってより低い回転数で交流電流４２を用いた非同期機１０の動作は、典型的には、例えば液体プラグが送られる間などに一時的にのみ行われるべきである。したがって、工程Ｓ５において、流体の液体割合に依存した測定量４８が新たに検出される。この場合、測定量４６について説明されたのと同じ量が検出され得る。

工程Ｓ６において、さらなる周波数変更条件４９が評価され、この周波数変更条件が満たされた場合に、第１の目標周波数３７に戻す切替えが行われ、したがって、工程Ｓ１の方法が続行される。これに対して、さらなる周波数変更条件が満たされない場合、方法は工程Ｓ４から繰り返される。

例えば周波数変更条件の範囲内で言及された限界値比較の代わりに、制御回路５１が、測定量４６を予め定められた値になるよう制御しようとする測定及び制御要素２２の部分として使用されることで上記の方法を改変することもでき、目標周波数３７、３８は制御値として用いられる。この場合、例えば飽和要素が提供されることにより、第１の目標周波数を超えることができないように制御量を制限することができる。この場合、周波数変更条件が満たされないことは、制御回路５１の飽和に相当する。したがって、制御の飽和領域を離れない限り、第１の目標周波数が制御量として出力される。

図４及び図５は、液体割合が低い気液混合物である流体を搬送する場合、液体を輸送する場合よりも格段に少ない出力、例えば２５％少ない出力を必要とするスクリュースピンドルポンプの異なった詳細図を示す。この場合、図４は、スクリュースピンドルポンプ１の駆動スピンドル５及び従動スピンドル６の斜視図を模式的に示し、明確にするためにハウジングは示されていない。図４は、特に、駆動スピンドル５及び従動スピンドル６のスクリュープロファイルの形状、ならびにスクリュープロファイルの噛み合いを示している。図５は、図２に示される断面を越えて延在することから、図４にも示されている複数の別々のポンプチャンバ７、８、９を形成するための、特に、駆動スピンドル５及び従動スピンドル６とハウジング２との協働が見て取れる端面を示す。

図１を参照して既に説明したように、従動スピンドル６は、結合装置２６によって駆動スピンドル５と回転結合され、この例では、１：１の伝達比が想定されている。したがって、駆動軸５が非同期モータ１０によって駆動方向１１に駆動されると、従動スピンドル６は反対の回転方向１２で同じ回転数で回転する。回転数は、制御装置１９によって上述した目標周波数３７、３８を選択することにより予め定められる。

駆動スピンドル５と従動スピンドル６のスクリュープロファイルの噛み合いによって、ハウジング２内の流体が複数の別々のポンプチャンバ７、８、９に収容される。ポンプチャンバ７、８、９の分離又は閉鎖は、ハウジング２と駆動スピンドル５又は従動スピンドル６との間の径方向隙間１７にもとづいて、及び残った軸方向隙間にもとづいて、ハウジングと駆動スピンドル又は従動スピンドルとの間で噛み合うスクリュープロファイルが完全に密にはならず、ポンプチャンバ７、８、９間での漏れとみなすこともできるある程度の流体交換を可能にする。

図４に示す駆動スピンドル５及び従動スピンドル６の回転位置では、図１の駆動スピンドル５のねじ山の壁１５の自由端１３が上方に向けられ、それによりこの自由端１３と従動スピンドル６との間に周方向の隙間が残るので、ポンプチャンバ７が流体入口３に向けて開いていて、隙間を通って流体がポンプチャンバ７と流体入口３との間を流れることができる。それに対応して、図４において外面に点が付されることにより示されたポンプチャンバ８が流体出口４に向けて開いている。なぜなら、このポンプチャンバを区切る壁１５の自由端１４が、回転位置にもとづいてこの場合も従動スピンドル６から離間し、したがって、流体が流れることができる径方向隙間を形成するからである。ポンプチャンバ９は、流体入口３に関しても流体出口４に対しても閉鎖されている。

駆動スピンドル５が駆動方向１１に駆動されると、壁１５の自由端１３がまず従動コイル６に向かって移動し、したがって、最初に開いたポンプチャンバ７が閉じられる。次に、さらに回転させると、閉鎖されたポンプチャンバが流体出口４に向かって変位する。次いで、特定の開放回転角度に達した場合、ポンプチャンバは流体出口４に向けて開かれ、９０°回転して開放回転角度に達した後に、結果としてポンプチャンバ８のための図１において示される配置となり、この配置では、すでに、自由端１４と従動スピンドル６との間に特定の幅を有する周方向の隙間が生じる。

高い気体割合の気液混合物を搬送する場合、移送時の気体圧縮が主に流体が流体出口又は下流のポンプチャンバから閉鎖されたポンプチャンバへ逆流し、そこで気体を圧縮することによってではなく、気体の圧縮、したがってポンプチャンバ７、８、９内の圧力上昇が実質的にそれぞれのポンプチャンバが流体出口４に向けて開放して初めて行われることによって行われることが達成される場合に電力消費量を著しく低減できることが分かった。示されている例では、このことは一方で適切なポンプジオメトリを選択することによって、他方で十分に高い回転数を使用することによって達成される。これにより、開放回転角度に達する前、又は達した場合、それぞれのポンプチャンバ７、８、９内の圧力が、流体入口３の領域に存在するスクリュースピンドルポンプ１の吸引圧力に比べて、吸引圧力と流体出口４の領域の圧力との差圧の数パーセントしか増加しないことを達成することができる。例えば、開いた場合、ポンプチャンバ内の圧力は、吸引圧力を上回る差圧の最大１０％又は最大２０％であり得る。

上記の挙動は、基本的に、一般的なポンプジオメトリでも十分に高い回転数を選択することだけで達成することができ、必要な高い回転数は、場合によってはポンプの高負荷又は高摩耗につながる可能性がある。したがって、スクリュースピンドルポンプ１は、比較的低い回転数、例えば１０００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍでも上記の挙動を達成することができる特殊なポンプジオメトリを使用する。特に、スクリュースピンドルポンプで一般的な軸方向に連続する複数のポンプチャンバの使用の代わりに、比較的少数のポンプチャンバ又は駆動スピンドル５及び従動スピンドル６のねじ山の回転が使用される。図４に示される回転位置では、正確に１つのポンプチャンバ９のみが流体入口３に対しても流体出口４に対しても閉鎖されている。この場合、壁１５の自由端１３、１４の具体的な幾何学的形態に応じて、駆動スピンドル５及び従動スピンドル６の回転状態とは無関係に、示された例では、最大１つ又は最大２つのポンプチャンバが同時に閉鎖されることになる。

軸方向に連続する比較的少数のポンプチャンバを使用することによりすでに、個々のポンプチャンバの比較的大きい容積が達成され、それによって隙間を通ってそれぞれのポンプチャンバに逆流する同じ量の液体がポンプチャンバ内の圧力に及ぼす影響が比較的少なくなる。これに加えて、ポンプチャンバ７～９の大きい容積を達成するために、特に図５にはっきりと見て取れるように、駆動スピンドル及び従動スピンドル５、６のスクリュープロファイルの内径１６が、それぞれのスピンドルの外径１８よりも格段に小さく、例えば約ファクタ２だけ小さいことが有利である。

ハウジング２と駆動スピンドル５又は従動スピンドル６のそれぞれの外径１８との間の十分に狭い径方向隙間１７を使用することにより、それぞれのポンプチャンバ７、８、９に逆流する液体の量もさらに減らすことができる。例えば、径方向隙間２５は、外径１８の千分の２よりも狭くすることができる。

上述のように、スクリュースピンドルポンプ１のポンプジオメトリと十分に高い回転数とが協働して上記の効果が達成される。この場合、回転数は、所定のポンプジオメトリで、流体出口４へのそれぞれのポンプチャンバ７、８、９の移動の軸方向速度が少なくとも４ｍ／ｓであるように、及び／又は駆動スピンドル５若しくは従動スピンドル６の外側プロファイル１８における周速度が少なくとも１５ｍ／ｓになるように選択されるべきである。

Claims (10)

1. スクリュースピンドルポンプ（１）によって流体を搬送する方法であって、前記スクリュースピンドルポンプ（１）の少なくとも１つの駆動スピンドル（５）が非同期モータ（１０）によって駆動され、
   －前記非同期モータ（１０）を第１の目標周波数（３７）で動作させ、流体（４５）として気液混合物が搬送され、
   －前記流体（４５）の液体割合に依存した測定量（４６）が検出され、
   －前記測定量（４６）に依存した周波数変更条件（４７）が満たされた後に、前記非同期モータ（１０）を前記第１の目標周波数（３７）に比べて低減された第２の目標周波数（３８）で動作させる、方法。
2. 前記測定量（４６）は、前記非同期機（１０）によって加えられるトルク、又は前記非同期機（１０）に供給される交流電流（４２）の電流強度、又は前記非同期機（１０）の回転数に該当することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の目標周波数（３７）から前記第２の目標周波数（３８）への切替えが、前記周波数変更条件（５０）が満たされた後に、時間インターバルにわたって連続的に、若しくは複数の段階で行われること、並びに／又は前記第１の目標周波数（３７）から前記第２の目標周波数（３８）への前記切替えが、前記測定量（４６）を予め定められた値になるよう制御する制御回路（５１）によって行われること、を特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の目標周波数（３７）は、所定の最大動作電圧で弱界磁領域（４０）が始まる前記非同期機（１０）のコーナ周波数（４１）よりも少なくとも１０％、若しくは少なくとも２０％大きいこと、並びに／又は前記第１の目標周波数（３７）は、前記コーナ周波数（４１）よりも最大３０％、若しくは最大４０％大きいこと、並びに／又は前記第２の目標周波数（３８）は、前記コーナ周波数（４１）以上であること、を特徴とする、上記請求項のいずれか１項に記載の方法。
5. スクリュースピンドルポンプ（１）が使用され、前記スクリュースピンドルポンプは、少なくとも１つの流体入口（３）と流体出口（４）を形成する、かつ前記スクリュースピンドルポンプ（１）の前記少なくとも１つの駆動スピンドル（５）と、前記駆動スピンドル（５）と回転結合された少なくとも１つの従動スピンドル（６）とが収容されたハウジング（２）を有し、前記駆動スピンドル及び前記従動スピンドルが、前記駆動スピンドル（５）の各回転位置において前記ハウジング（２）と共同で複数のポンプチャンバ（７、８、９）を画定し、前記非同期機によって前記駆動スピンドル（５）が駆動方向（１１）に回転させられ、それによって、前記ポンプチャンバ（７、８、９）のうちの、最初に前記それぞれの流体入口（４）に向けて開いていたそれぞれのポンプチャンバが閉鎖され、その結果閉鎖されたポンプチャンバ（７、８、９）が前記流体出口（４）に向かって軸方向に移動され、そこで開放回転角度に達した場合に前記流体出口（４）に向けて開かれ、前記駆動スピンドル（５）は、少なくとも前記周波数切替条件が満たされる前に、所定のポンプジオメトリの前記スクリュースピンドルポンプ（１）において液体割合が限界値を下回る場合、前記それぞれのポンプチャンバ（７、８、９）内の圧力が、前記開放回転角度に達する前及び／又は達した場合に、前記それぞれの流体入口（３）の領域に存在する前記スクリュースピンドルポンプ（１）の吸込圧力に比べて、前記吸込圧力と前記流体出口（４）の領域の圧力との間の差圧の最大２０％又は最大１０％高くなるように駆動されることを特徴とする、上記請求項のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記それぞれの駆動スピンドル（５）及び従動スピンドル（６）のスクリュープロファイルは、駆動スピンドル（５）及び従動スピンドル（６）ごとの、前記流体入口（３）に対しても前記流体出口（４）に対しても閉鎖されている前記ポンプチャンバ（７、８、９）の数の平均値が前記駆動スピンドル（５）の３６０°の回転角度にわたって最大１．５となるように選択されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 一方で、前記使用されるスクリュースピンドルポンプ（１）のポンプジオメトリと前記第１の目標周波数（３７）での目標回転数は、前記駆動スピンドル（５）若しくは前記駆動スピンドル（５）の少なくとも１つ、及び／又は前記従動スピンドル（６）若しくは前記従動スピンドル（６）の少なくとも１つのプロファイル外径（１８）における周速度が少なくとも１５ｍ／ｓとなるように選択される、並びに／あるいは他方で、前記ポンプジオメトリと前記第１目標周波数での前記目標回転数は、前記それぞれのポンプチャンバ（７、８、９）の前記流体出口（４）に向かって軸方向に移動するときの軸方向速度が少なくとも４ｍ／ｓとなるように選択されることを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載の方法。
8. 流体を搬送するためのスクリュースピンドルポンプであって、前記スクリュースピンドルポンプは、前記スクリュースピンドルポンプ（１）の少なくとも１つの駆動スピンドル（５）と前記駆動スピンドルと回転結合された少なくとも１つの従動スピンドル（６）とが収容されたハウジング（２）と、前記駆動スピンドル（５）を駆動するための非同期モータ（１０）と、前記非同期モータ（１０）に給電するための制御装置（１９）と、を有し、前記制御装置（１９）が、上記請求項のいずれか１項に記載の方法を実行するように設定されている、スクリュースピンドルポンプ。
9. 前記ハウジング（２）が少なくとも１つの流体入口（３）と流体出口（４）を形成し、前記駆動スピンドル（５）及び前記従動スピンドル（６）が、前記駆動スピンドル（５）の各回転位置において前記ハウジング（２）と共同で複数のポンプチャンバ（７、８、９）を画定し、前記非同期機（１０）は、前記駆動スピンドル（５）を駆動方向（１１）に回転させるように設定され、それによって、前記ポンプチャンバ（７、８、９）のうちの、最初に前記それぞれの流体入口（３）に向けて開いていたそれぞれのポンプチャンバが閉鎖され、その結果閉鎖されたポンプチャンバ（７、８、９）が前記流体出口（４）に向かって軸方向に移動され、そこで開放回転角度に達した場合に前記流体出口（４）に向けて開かれ、前記それぞれの駆動スピンドル（５）及び従動スピンドル（６）の前記スクリュープロファイルは、駆動スピンドル（５）及び従動スピンドル（６）ごとの、前記流体入口（３）に対しても前記流体出口（４）に対しても閉鎖されている前記ポンプチャンバ（７、８、９）の数の平均値が前記駆動スピンドル（５）の３６０°の回転角度にわたって最大１．５となるように選択されることを特徴とする、請求項８に記載のスクリュースピンドルポンプ。
10. 一方で前記駆動スピンドル（５）若しくは前記駆動スピンドル（５）の少なくとも１つ、及び／又は前記従動スピンドル（６）若しくは前記従動スピンドル（６）の少なくとも１つの前記スクリュープロファイルの内径（１６）が、前記それぞれのスクリュープロファイルの前記外径（１８）の０．７倍未満である、並びに／あるいは他方で、前記駆動スピンドル（５）若しくは前記駆動スピンドル（５）の少なくとも１つ、及び／又は前記従動スピンドル（６）若しくは前記従動スピンドル（６）の少なくとも１つの前記スクリュープロファイルの外縁と、前記ハウジング（２）との間の平均周方向隙間（１７）が前記それぞれのスクリュープロファイルの前記外径（１８）の０．００２倍未満であることを特徴とする、請求項９に記載のスクリュースピンドルポンプ。

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