JP4554619B2 - 超臨界二酸化炭素循環ポンプの設計 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界流体を循環するための、改良したポンプ組立体の設計に関する。特に、本発明は、オイル潤滑やグリース潤滑なしで作動する耐食性軸受と、ステンレススチール製のシールをしたローターとＰＥＥＫ（登録商標）製のシールをしたステーターとを備え、微粒子や汚染物質を発生しない、改良したキャンドコンパクトブラシレスＤＣポンプ組立体の設計に関する。

従来のブラシレスキャンドモーターポンプは、ポンプセクションとモーターセクションを有する。モーターセクションはポンプセクションを駆動する。ポンプセクションは、ケーシングの中で回転する、羽根を持ったインペラーを備える。インペラーは、流体をポンプ入口からポンプ出口へ押し出す。インペラーは普通、クローズドタイプで、モーターセクションからポンプセクションへ延び、ポンプセクションでインペラー端部に接続するモーター軸の、１端部に結合される。

モーターセクションはステーターとローターを備えた電動モーターを有する。ローターはステーターの内側のモーター軸と一体に形成されている。ブラシレスＤＣモーターでは、ローターは、ステーターの巻き線を流れる電流によって発生する電磁場によって駆動される。多数の磁石がローターに嵌め込まれている。ポンプ運転の間、ローター軸は、モーターセクションから流体が汲み上げられるポンプセクションへ、ローターの磁石に関して電磁場の発生で生じるトルクを伝達する。

ローターとステーターは液中にあるので、腐食及び電気的損傷を防ぐため、絶縁されなければならない。ローターは汲み上げられる流体中に浸され、それゆえ、モーター部品を流体との接触から隔離するために、「缶に入って（canned）」又はシールされている。機械的接触軸受はシステム流体中に浸され、それゆえ、連続的に潤滑される。軸受はインペラー及び／又はモーター軸を支持する。汲み上げられた流体の一部はモーターセクションを通って再循環され、モーター部品を冷却し、軸受を潤滑する。

シールと軸受は、ポンプの運転中連続的な機械的磨耗のため故障し易い。ステーターとローターの間で機械的にこすれることは微粒子を発生する。流体シール中のローターとステーターの間の相互作用の力及びジャーナル軸受の流体力学的挙動は、自励振動を引き起こし、自励振動は回転機械を最終的に損傷し、破壊することすらある。軸受もまた損傷し易い。潤滑剤の微粒子汚染のため、潤滑剤は効果がなくなり、ポンプ運転に悪い影響を与える。潤滑剤はまた汲み上げられる流体に溶解し、流体を汚染する。汚染された潤滑剤中で運転している軸受は、汚染されていない潤滑剤で運転している軸受よりも初期磨耗率が高い。軸受とシールは、ある化学物質と接触した場合に特に影響を受け易い。或は、軸受は汲み上げられる流体を汚染し易い。

高速で回転し、超臨界温度圧力で運転していても、微粒子の発生と汚染をおおむね低減する、改良されたブラシレスコンパクトキャンドポンプ組立体の設計が要求されている。

本発明の実施例によって、超臨界流体を循環するポンプ組立体が開示されている。ポンプ組立体は、ポンプ入口からポンプ出口へ流体を押し出すインペラーと、インペラーに結合された回転ポンプ軸とを備え、このポンプ軸は、耐食性軸受で支持されており、また、ポンプ組立体は、エポキシ樹脂に埋め込まれ非磁性耐食材料のスリーブの中に入れられたＤＣモーターのローターと、ポリマースリーブによって流体からシールされたステーターとを備える。

ポンプ組立体は、ポンプ組立体を操作するのに適した電気コントローラーを更に備えることができる。電気コントローラーはステーターの巻き線に逐次電圧を加える通信コントローラーを備えることができる。ポンプは遠心式とすることができる。軸受はオイル潤滑やグリース潤滑なしで運転することができる。軸受は、窒化珪素製のボールとクロニデュア（Cronidur）（登録商標）製の軸受レースとの組み合わせて作ることができる。クロニデュア（登録商標）はバーデンベアリングス社製の耐食性金属合金である。軸受は、セラミック軸受、ハイブリッド軸受、総ころ形軸受、薄肉ジャーナル軸受、又は磁気軸受、とすることができる。ポリマースリーブは、ステーターのケーシングを形成するＰＥＥＫ製のスリーブとすることができる。ＤＣモーターのローターを入れる非磁性材料スリーブは、ステンレススチール製であることが好ましい。非磁性材料スリーブは、トルクが非磁性材料スリーブを介して伝達されるようにポンプ軸に溶接することができる。

インペラーは、25.4ｍｍ（1インチ）と50.8ｍｍ（2インチ）の間の直径を有するのが好ましい。ローターは、38.1ｍｍ（1.5インチ）と50.8ｍｍ（2インチ）の間の直径を有するのが好ましい。ローターは最大回転速度60,000ｒｐｍとすることができる。ポンプ組立体は、ポンプセクションとモーターセクションを有するが、10,342ｋＰａ（1,500ｐｓｉ）から20,684ｋＰａ（3,000ｐｓｉ）の範囲の運転圧力とすることができる。超臨界流体は、40から100℃の範囲で作動するのが好ましい。超臨界流体は、超臨界二酸化炭素、又は添加物又は溶媒を混合した超臨界二酸化炭素とすることができる。超臨界流体の一部は、ポンプ組立体を通って分流し、次に外部の流路を通ってポンプ入口へ戻る。分流した超臨界流体は、ポンプ入口へ戻る前に外部の流路にあるフィルター及び／又は熱交換器を通るのが好ましい。

本発明の他の実施例では、超臨界流体を循環するポンプ組立体が開示されている。ポンプ組立体は、ポンプ入口からポンプ出口へ流体を押し出すインペラーと、インペラーと結合した回転ポンプ軸とを備え、このポンプ軸は窒化珪素製軸受で支持されており、また、ポンプ組立体は、エポキシ樹脂に埋め込まれ、ステンレススチール製のスリーブの中に入れられたローターを備え、このステンレススチール製のスリーブは、トルクがステンレススチール製のスリーブを介して伝達されるようにポンプ軸に溶接されており、また、ポンプ組立体は、ＰＥＥＫ（登録商標）製スリーブによって流体からシールされたステーターを備え、このローターとステーターは、超臨界流体の一部をローターとステーターの間に分流し、次に外部流路を通ってポンプ入口に戻すために、別の流路を形成する。

ブラシレスコンパクトキャンドポンプ組立体１００が図１に示され、ポンプセクション１０１と、モーターセクション１０２を有する。モーターセクション１０２はポンプセクション１０１を駆動する。ポンプセクション１０１はポンプセクション１０１の中で回転する遠心インペラー１２０を備え、内側ポンプハウジング１０５と外側ポンプハウジング１１５を備える。入口１１０はポンプ流体をインペラー１２０へ導き、インペラー１２０は流体を出口１３０へ汲み上げる。

モーターセクション１０２はステーター１７０とローター１６０を有する電動モーターを備える。電動モーターは可変速モーターとすることができ、可変速モーターは回転及び／又は負荷特性を変化させることができる。或は、電動モーターは誘導電動機とすることができる。ローター１６０は非磁性ステンレススチール製スリーブ１８０の内側に形成されている。ローター１６０は流体との接触から隔離するために缶の中に入れられている。ローター１６０は直径38.1ｍｍ（1.5インチ）から50.8ｍｍ（2インチ）の間が好ましい。ステーター１７０もまた、汲み上げられる流体から隔離するために缶に入れられている。ポンプ軸１５０はモーターセクション１０２からポンプセクション１０１へ延び、ポンプセクションでインペラー１２０の端部に固定される。ポンプ軸１５０は、トルクがステンレススチールスリーブ１８０を通って伝達されるように、ステンレススチールスリーブ１８０に溶接することができる。インペラー１２０は、25.4ｍｍ（1インチ）と50.8ｍｍ（2インチ）の間の直径を有することが好ましく、回転羽根を有する。このコンパクト設計は、ポンプ組立体１００をより軽くし、軽量であることはまた電動モーターの回転スピードを増加する。本発明の電動モーターは、より高速度で回転するにより、より小さいユニットでより大きなパワーを供給することができる。ローター１６０の最大回転速度は毎分60,000回転（ｒｐｍ）である。もちろん、スピードとインペラーサイズが異なれば、異なった流量となる。

ブラシレスＤＣ技術を用いて、ローター１６０は、ステーター１７０の巻き線を通って流れる電流によって発生する電磁場によって駆動される。運転中は、ポンプ軸１５０がモーターセクション１０２からポンプセクション１０１にトルクを伝達し、流体を汲み上げる。モーターセクション１０２は、ポンプ組立体１００を操作するのに適した電気コントローラー（図示せず）を備えることができる。電気コントローラー（図示せず）は、ステーター１７０の巻き線に逐次電圧を加えるために、通信コントローラー（図示せず）を備えることができる。

ローター１６０は、エポキシ樹脂に埋め込まれ、ローター１６０を流体から隔離するためのステンレススチール製のスリーブ１８０の中に入れられている。ステンレススチール製のスリーブ１８０は、高圧の、ほぼ密封シールを可能とする。ステンレススチール製のスリーブ１８０は腐食に対して高い抵抗を有し、高温での高い強度を維持し、微粒子をほとんど発生させない。クロム、ニッケル、チタニウム、及び他の成分を、量を変化させてステンレススチールに加えることもでき、それぞれ異なった性質を有する、ステンレススチールの等級の巾を作り出すことができる。

ステーター１７０もまた、エポキシ樹脂に埋め込まれ、ポリマースリーブ１９０によって流体からシールされている。ポリマースリーブ１９０はＰＥＥＫ（登録商標）（ポリエーテルエーテルケトン）製のスリーブであることが好ましい。ＰＥＥＫ（登録商標）製のスリーブはステーターのケーシングを形成する。ポリマースリーブ１９０は非常に強い、十分クロスリンクさせたエンジニアリング熱可塑性プラスチックであるので、超臨界条件でもＣＯ₂による腐食や浸透に対して抵抗力があり、ほとんど微粒子を発生しない。更に、ＰＥＥＫ（登録商標）材料は摩擦係数が小さく、もともと火炎反応減速剤である。他の高温と腐食に抵抗を有する材料は、合金を含め、ステーター１７０を流体からシールするために使用することができる。

本発明で使用したポンプ流体は、超臨界流体であることが好ましい。「超臨界流体」という言葉は、臨界温度と臨界圧力の両方を超える流体を意味し、また単一流体と混合流体の両方を含む。超臨界流体は、超臨界二酸化炭素（ＣＯ₂）、又は超臨界ＣＯ₂と添加物及び／又は溶媒を含む他の流体との混合とすることができる。超臨界流体はポンプ組立体１００に含まれるどんな微粒子も高度に抽出する性質と量を備えたものである。ＣＯ₂の臨界圧力は7377ｋＰａ（１平方インチ当り約1,070ポンド（ｐｓｉ））であり、臨界温度は約３１℃である。ポンプ組立体１００の運転圧力は10,342ｋＰａ（1,500ｐｓｉ）から20,684ｋＰａ（3,000ｐｓｉ）の範囲にあることが好ましい。超臨界流体は40から100℃の範囲で作動することが好ましい。超臨界流体は、微粒子を強力に抽出することに加え、ポンプ組立体１００のモーターセクション１０２を冷却することができる。

微粒子を発生しないことに加え、本発明のポンプ組立体１００は他の優れた特徴を有する。ポンプ軸１５０は第１耐食軸受１４０と第２耐食軸受１４１によって支持されている。軸受１４０と１４１は、セラミック軸受、ハイブリッド軸受、総ころ形軸受、薄肉ジャーナル軸受、又は磁気軸受、とすることができる。軸受１４０と１４１は、窒化珪素製のボールとクロニデュア（登録商標）製の軸受レースとの組み合わせで製作することができる。クロニデュア（登録商標）はバードンベアリングス社製の耐食金属合金である。窒化珪素とクロニデュア（登録商標）製の軸受レースとの組み合わせの使用は、高速かつ超臨界温度、圧力で運転できる軸受を生み出す。これらの材料はすぐれた耐食性及び耐磨耗性を与える。軸受１４０と１４１はオイル潤滑もグリース潤滑も不要であるという意味で無潤滑であるが、ポンプ流体の一部が、軸受の潤滑と冷却を与えるために供給される。こうして、流体の汚染をなくすことができる。軸受１４０と１４１はまた、セラミック（窒化珪素）ハイブリッドにはアブレイシブ磨耗によって発生する磨耗微粒子が存在しないので、微粒子の発生を減少させる。メンテナンスコスト削減で節約することは重要である。

ポンプ流体の一部は分流し、軸受１４０と１４１を潤滑するためにポンプ組立体１００を通って再循環され、浮遊微粒子を拾い集め、モーターセクション１０２を冷却する。しかし、ＣＯ₂は潤滑性が乏しい。そこで、分流流体は、軸受１４０と１４１を潤滑するというよりも、むしろモーターセクション１０２及び軸受１４０と１４１の冷却のために供給される。上述したように、軸受１４０と１４１は耐食性と耐磨耗性を有する材料で設計される。

分流流体は、第１軸受１４０を冷却した後、モーターセクション１０２に流入するようにすることができる。分流流体は、モーターセクション１０２を通り、第２軸受１４１を冷却し、モーターセクション１０２の出口流路２００を通り、外部流路（図示せず）に流れる。出口流路２００を出たこの流体はモーターセクション１０２で発生した微粒子を拾い集めている。分流流体は、ポンプ入口に戻る前に外部流路（図示せず）でフィルター及び／又は熱交換器を通ることが好ましい。

本発明は特定の実施例について、本発明の構成と運転の原理の理解を容易にするために詳細に説明されてきた。特定の実施例とその詳細についてのこれらの説明は、請求項の範囲を制限するものではない。説明のために選ばれた実施例において、本発明の精神及び範囲から離れることなく修正を行ないうることは、本発明の技術の分野における通常の知識を有する者にとって明らかであろう。

本発明の好ましい実施例のポンプの組立断面図。

Claims (3)

1. 超臨界流体を循環するためのポンプ組立体であって、前記ポンプ組立体が、
   ポンプ入口からポンプ出口へ流体を押し出すインペラーと、
   前記インペラーに結合されて、第１と第２の耐食性軸受で支持されたポンプ軸と、
   前記ポンプ軸を駆動するモーターセクションと、
   を備え、前記モーターセクションが、
   エポキシ樹脂に埋め込まれ、非磁性材料のスリーブの中に入れられた電動モーターのローターと、
   ポリマースリーブによって流体からシールされたステーターと、を備え、
   更に、前記ポンプ組立体が、前記ポンプ内で分流した前記超臨界流体の一部のための出口流路と、前記出口流路に接続され、前記出口流路から流出した前記超臨界流体の一部を前記ポンプ入口に戻すように前記ポンプ入口に接続する、外部流路と、を備え、
   前記外部流路が、熱交換器とフィルターとを備え、
   前記ポンプ内で分流した前記超臨界流体の一部が、前記ポンプ組立体の内部を通り、前記第１の耐食性軸受と、前記モーターセクションと、前記第２の耐食性軸受と、を冷却し、前記出口流路から流出して、前記外部流路に流入し、
   前記外部流路が前記超臨界流体の一部を前記ポンプ入口に戻す前に、前記熱交換器が、前記超臨界流体の一部の温度を調整し、前記フィルターが、前記超臨界流体の一部に発生した微粒子を除去する、
   超臨界流体を循環するためのポンプ組立体。
2. 超臨界流体が、超臨界二酸化炭素である、請求項１に記載の超臨界流体を循環するためのポンプ組立体。
3. 超臨界流体が、添加物又は溶媒を混合した超臨界二酸化炭素である、請求項１に記載の超臨界流体を循環するためのポンプ組立体。

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