JP2024037495A - 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 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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H2(G)の流れを白抜き矢印で例示し、後述される液体水素H2(L)が気化した水素ガスH2(G)の流れを黒塗り矢印で例示している。
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。
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H2(L)が導入され、モータ室36には気相部T1Gからの水素ガスH2(G)が導入される。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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H2(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H2(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H2(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H2(G)は、ポンプ室43内の液体水素H2(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H2(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
Claims (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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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