JP5453365B2 - 高温ガス用ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、高温ガスを吸引し吐出する高温ガス用ポンプに関する。

従来より、高温ガス、例えば４００℃以上のガスをポンプにて吸引し一定の速度で吐出させる高温ガス用ポンプが、熱処理炉、焼成炉等において用いられる。この場合、高温ガスは高温ガス用ポンプで炉内を循環しつつ、高温ガス用ポンプで加速された高温ガスを用いて炉内の攪拌を行うので、炉内温度の均一化や処理効率が向上する。

このような高温ガス用ポンプでは、一般にモータ等の回転駆動機構の回転軸と接続された回転軸にインペリが設けられた送風用ファンが用いられる。このとき、回転軸の軸受け等に用いる油等の潤滑剤が高温により揮発することで、送風される高温ガスに油の分解された成分が不純物として混入する場合がある。このため、回転軸や軸受けを冷却する機構が設けられるが、回転軸周りの構造が複雑となっている。

一方、軸受けに磁気軸受けとして機能する磁石を備え、ケーシング内部で完全にシールされた送風用ファン及び回転軸を備えたマグネットポンプも用いられるが、構造が複雑である。また、磁気軸受けに用いる磁石の磁力も高温により低下するため、磁気軸受けを高温ガス用ポンプに長時間用いることは難しい。磁石の高温化を抑制するために冷却機構が設けられる場合もあるが、回転軸周りの構造が複雑になる。

下記特許文献１，２には高温ガス送風用ファンが開示されている。このガス送風用ファンは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）において、高温ガス用ポンプとして用いられる。固体酸化物形燃料電池の動作温度は８００〜１０００℃であるので、用いる水素ガスや天然ガスも８００〜１０００℃である。このため当該高温ガス送風用ファンにおいても、上述した軸受けにおける油等の潤滑剤の揮発の問題を解消するために冷却機構を設け、また、磁気軸受けを用いている。

ＷＯ２００４／０７０２０９号公報 特開２００８−１８４９６０号公報

本発明は、従来と異なる方式を用いて、従来に比べてより簡単な構造で効率よく高温ガスを吐出させることができる高温ガス用ポンプを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、高温ガス用ポンプである。当該高温ガス用ポンプは、
環状内部空間を備え、導入された高温ガスを前記環状内部空間の周方向に沿って流す循環経路を有するポンプ容器と、
前記環状内部空間の一部分から循環する高温ガスを吐出させる吐出ノズルと、
前記環状内部空間の誘電体からなる壁の周上の異なる位置に設けられる複数の電極対を有するアクチュエータであって、前記電極対のそれぞれは第１電極及び第２電極からなり、前記電極対のそれぞれの前記第１電極は前記壁から露出し、前記第２電極は前記誘電体内に埋め込まれ、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧が印加されて前記第１電極と前記第２電極の間にプラズマを生成することにより、高温ガスの流れを形成するアクチュエータと、
前記電極対に電圧を印加する電源と、を有する。
前記電極対それぞれの前記第２電極はいずれも前記第１電極を基準にして前記循環経路の周方向の同じ側に設けられる。

その際、前記環状内部空間は、第１円筒部材の外側面と、前記外側面の中心軸に中心軸が一致し、かつ前記第１円筒部材の直径より大きい直径を有する第２円筒部材の内側面と、２つの平板の面で囲まれて形成され、前記電極対は前記内側面に設けられ、前記吐出ノズルの経路は前記循環経路から径方向外側に枝分かれし、前記吐出ノズルの壁面の一部は、前記循環経路の前記外側面から滑らかに延びている、ことが好ましい。

前記第１電極及び前記第２電極は、前記第１円筒部材の中心軸方向に延びてお互いに平行に配置された細長い電極である、ことが好ましい。

また、前記環状内部空間は、第１円筒部材の外側面と、前記第１円筒部材の中心軸に中心軸が一致し、かつ前記第１円筒部材の直径より大きい直径を有する第２円筒部材の内側面と、２つの平板の面で囲まれて形成され、前記環状内部空間の壁面のうち、前記外側面に高温ガスを導入するスリット状のガス導入口が設けられている、ことが好ましい。

また、前記ガス導入口は、高温ガスを前記環状内部空間の壁面に対して前記環状内部空間の周方向に傾斜して導入し、導入される高温ガスの傾斜方向は、周方向のうち、前記第１電極を基準にして前記第２電極の側に向かう方向である、ことがより好ましい。

前記容器は、例えば石英あるいは合成石英で構成されている。

上述の高温ガス用ポンプによれば、従来に比べてより簡単な構造で効率よく高温ガスを吐出させることができる。

本実施形態の高温ガス用ポンプの一例の外観斜視図である。 図１に示す高温ガス用ポンプの分解斜視図である。 本実施形態の高温ガス用ポンプに用いるアクチュエータを説明する図である。 図３に示すアクチュエータの矩形領域の拡大図である。 本実施形態の高温ガス用ポンプに用いるアクチュエータの原理を説明する模式図である。

以下、本発明の高温ガス用ポンプについて詳細に説明する。
図１は、実施形態の高温ガス用ポンプの一例の外観斜視図である。図２は、図１に示す高温ガス用ポンプの分解斜視図である。

（高温ガス用ポンプ）
図１に示す高温ガス用ポンプ（以下、単にポンプという）１０は、温度４００℃以上の高温ガスを導入して速度を与えて噴射（吐出）するポンプである。ポンプ１０は、図１に示すように、ポンプ容器１２と、吐出ノズル１４と、アクチュエータ１６（図２参照）と、電源１８と、コントローラ２０と、を有する。

ポンプ容器１２は、図２に示すように、内側円筒部材１２ａと外側円筒部材１２ｂと、平板部材１２ｃ，１２ｄとを用いて構成される。内側円筒部材１２ａの中心軸と外側円筒部材１２ｂの中心軸は一致しており、内側円筒部材１２ａの壁面と外側円筒部材１２ｂの壁面を側面とし、平板部材１２ｃの壁面を天井面とし、平板部材１２ｄの壁面を床面として形成された環状内部空間１２ｅを備える。すなわち、環状内部空間１２ｅは、内側円筒部材１２ａの外側面と、内側円筒部材１２ａの中心軸に中心軸が一致し、かつ内側円筒部材１２ａの外側面の直径より大きい直径を有する外側円筒部材１２ｂの内側面と、２つの平板部材１２ｃ、１２ｄの面で囲まれて形成される。

内側円筒部材１２ａの一部には、部材を切り欠いたガス導入孔１２ｇが設けられ、このガス導入孔１２ｇの環状内部空間１２ｅ側の出口が、高温ガスを環状内部空間１２ｅに導入するスリット状のガス導入口１２ｆとなっている。さらに、内側円筒部材１２ａの内側面には、ガス供給管２２（図１では点線で図示）が接合され、ガス供給管２２にはガス導入孔１２ｇに対応する位置にガス供給口（図示されない）が設けられている。したがって、図１に示す上方からガス供給管２２を伝って流れてきた高温ガスは、ガス供給管２２のガス供給口、ガス導入孔１２ｇ、ガス導入口１２ｆを通して、環状内部空間１２ｅに導入される。
内側円筒部材１２ａと外側円筒部材１２ｂと、平板部材１２ｃ，１２ｄは、誘電体材料で構成され、例えば、石英あるいは合成石英が用いられる。

ポンプ容器１２の環状内部空間１２ｅは、導入された高温ガスを円周方向に沿って流す循環経路となっている。
吐出ノズル１４は、環状内部空間の１２ｅ内で後述するアクチュエータ１６によって加速し循環する高温ガスの一部を吐出する。吐出ノズル１４は、高温ガスを熱処理炉、焼成炉等と接続した図示されないガス供給管と接続されて、高温ガスを熱処理炉、焼成炉等に供給する。
吐出ノズル１４は、循環する高温ガスの一部を吐出するために、吐出ノズル１４の経路は、環状内部空間１２ｅ内の高温ガスの循環経路から径方向外側に枝分かれした通路であり、吐出ノズル１４の壁面の一部（径方向外側の壁面）は、外側円筒部材１２ｂの内側面である上記循環経路の外側面から滑らかに延びている。滑らかに延びているとは、比較する面の接続位置において接線方向が同じであることをいう。速度の高い高温ガスほど遠心力により径方向外側を円周方向に沿って流れる。このため、環状内部空間１２ｅ内の径方向外側に設けられた吐出ノズル１４は十分に加速された高温ガスを吐出することができる。本実施形態では、吐出ノズル１４の壁面の一部である径方向外側の壁面は、外側円筒部材１２ｂの内側面である上記循環経路の外側面から滑らかに延びているが、吐出ノズル１４の壁面（径方向外側の壁面）は、必ずしも滑らかに延びていなくてもよい。しかし、高温ガスの速度を低下させずに滑らかに高温ガスを吐出させるためには、吐出ノズル１４の壁面（径方向外側の壁面）は、外側円筒部材１２ｂの内側面から滑らかに延びていることが好ましい。

また、内側円筒部材１２ａの外側面に設けられるガス導入口１２ｆは、図２に示すように、環状内部空間１２ｅの壁面に対して環状内部空間１２ｅの径方向（Ｒ方向）から円周方向（Ｃ方向）に傾斜して高温ガスを導入するように、ガス導入孔１２ｇが内側円筒部材１２ａに設けられている。すなわち、ガス導入口１２ｆは、高温ガスを環状内部空間１２ｅの壁面に対して環状内部空間１２ｅの周方向に傾斜して導入する。このとき、導入される高温ガスの流れは、上記円周方向のうち、後述するアクチュエータ１６の第１電極を基準にして第２電極の側に向かう方向となっている。本実施形態では、導入される高温ガスの傾斜方向が、アクチュエータ１６の第１電極を基準にして第２電極の側に向かう方向に定まっているが、上記高温ガスの傾斜方向は上記の方向に限定されない。しかし、アクチュエータ１６が高温ガスを加速させる方向に高温ガスが流れるように、高温ガスを導入する点で、上記高温ガスの傾斜方向は環状内部空間１２ｅ内の第１電極を基準にして第２電極の側に向かう方向とするのが好ましい。

アクチュエータ１６は、環状内部空間１２ｅの内壁面である内側円筒部材１２ａの外側面の周上の異なる位置に設けられる複数の電極対を有し、高温ガスの速度を加速する。図２の例では、アクチュエータ１６が内側円筒部材１２ａの外側面に略等間隔で６個設けられている。本実施形態では、アクチュエータ１６を６個用いるが、アクチュエータの数は６個に限定されず、少なくとも２個以上用いればよい。図３は、アクチュエータ１６を説明する図である。図４は、図３に示す矩形領域の拡大図である。

アクチュエータ１６の電極対のそれぞれは、第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂからなる。電極対それぞれにおける第１電極１６ａは誘電体である内側円筒部材１２ａの外側面から露出し、第２電極１６ｂは内側円筒部材１２ａ内に埋め込まれている。第１電極１６ａを壁面から露出し、第２電極１６ｂを内側円筒部材１２ａ内に埋め込むのは、後述するように第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間に発生するプラズマによって生じる吸引力を利用して、導入した高温ガスの速度を加速させるためである。第２電極１６ｂを内側円筒部材１２ａ内に埋め込むとき、埋め込み深さ、すなわち壁面から第２電極１６ｂの最上面までの距離を例えば０．０３〜１．０ｍｍとすることが、プラズマによる吸引力を効率よく生成する点で、好ましい。
また、第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂは、内側円筒部材１２ａの中心軸方向に延びてお互いに平行に配置された細長い帯状の電極であることが、高温ガスの速度を効果的に加速させる点で好ましい。
アクチュエータ１６のそれぞれの第２電極１６ｂはいずれも第１電極１６ａを基準にして円周方向の同じ側に設けられる。本実施形態では、第１電極１６ａから第２電極１６ｂに向く方向は、環状内部空間１２ｅの円周の右回転方向であるが、左回転方向であってもよい。この場合、吐出ノズル１４の延びる向きが図１に示す方向と逆方向になるように吐出ノズル１４が設けられる。
第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂは、円周方向に例えば０〜３ｍｍ離間して配置される。第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂは、厚さが例えば０．３〜１．０ｍｍの導体で構成される。第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂの材料として、例えば銀、銅やタングステン等が用いられる。

電源１８は、アクチュエータ１６の第１電極１６ａ、第２電極１６ｂ間に電圧を印加する。例えば、数１００Ｈｚ〜数１０ｋＨｚの交流電圧が第１電極１６ａ、第２電極１６ｂ間に印加される。あるいは、数１００Ｈｚ〜数１０ｋＨｚのパルス電圧が、第１電極１６ａ、第２電極１６ｂ間に印加される。印加する電圧は、交流電圧の場合、例えば±数ｋＶ〜数１０ｋＶであり、パルス電圧の場合、例えば±数ｋＶ〜数１０ｋＶの電圧である。
各アクチュエータ１６の第１電極１６ａ及び第２電極１６ｂは、電力線２４と接続され、電力線２４は、平板部材１２ｃを横切って電源１８と接続されている。

このような電源１８が第１電極１６ａ、第２電極１６ｂ間に電圧を印加するように、コントローラ２０が電圧の印加を制御する。なお、電源１８の印加する電圧がパルス電圧である場合、コントローラ２０は、各アクチュエータ１６に与えるパルス電圧の印加のタイミングを任意の遅延時間を用いて遅らせることができる。例えば、隣り合うアクチュエータ１６間の離間距離を高温ガスの平均速度で除算して得られる時間を遅延時間として、パルス電圧の印加のタイミングを遅らせるように、コントローラ２０は電源１８を制御することができる。これにより、高温ガスの流れの速度に合わせて高温ガスの加速を行うことができるので、ポンプの作用を効果的に向上させることができる。

このようなポンプ１０では、ガス導入口１２ｆを通して導入された高温ガスが環状内部空間１２ｅを右回転方向の流れを作る。このとき、ポンプ１０は、アクチュエータ１６に電圧を印加することにより、第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間でプラズマを生成させる。これにより、プラズマによって生じる高温ガスを引っ張る力によって高温ガスの速度が加速される。高温ガスは、環状内部空間１２ｅに設けられたアクチュエータ１６で順次加速されて速度が高くなる。環状内部空間１２ｅを循環して速度が高まることによって生じる遠心力の増大によって外側円筒部材１２ｂの側が高圧、内側円筒部材１２ａの側が低圧となり、径方向Ｒにおいて高温ガスの圧力勾配が生じる。この圧力勾配の結果、ガス供給管２２内の高温ガスは、ガス導入口１２ｆを通して環状内部空間１２ｅに吸引されて導入される易くなる。それと同時に、高圧となった外側円筒部材１２ｂの側（環状内部空間１２ｅの径方向外側）に位置する高温ガスは吐出ノズル１４から排出される易くなる。

（アクチュエータの原理）
図５は、アクチュエータ１６の原理を説明する模式図である。図示されるアクチュエータ１６は、円筒状の曲面上ではなく平板上に設けられる。
図５に示されるように、アクチュエータ１６として、誘電体板４０，４２に設けられた一対の電極である第１電極１６ａ、第２電極１６ｂに交流電源４４を用いて電圧が印加される場合を想定する。第１電極１６ａは高温ガスに曝される。第２電極１６ｂは誘電体４２により被覆され、高温ガスに曝されない。第１電極１６ａ、第２電極１６ｂに交流電圧を印加すると、第１電極１６ａ、第２電極１６ｂ間で局所的にプラズマＰが発生し、誘起流れが生じる。第１電極１６ａ、第２電極１６ｂに交流電圧を印加することにより誘起流れが生じる厳密なメカニズムは不明であるが、以下に説明するメカニズムにより誘起流れが生じ得ると考えることができる。

第１電極１６ａ、第２電極１６ｂ間で局所的にプラズマＰが発生すると、高温ガスが電離して電荷が生じる。電荷密度ρの電荷に電場Ｅが作用すると、電荷に作用するクーロン力は以下の式（１）で表される。

また、高温ガスの誘電率をε_０とすると、ガウスの法則は以下の式（２）で表される。

ここで、各電極に垂直な方向（図５の上方向）をｚ方向として上記式（１）、式（２）をｚ方向のみ考慮すると、式（２）は下記式（３）で表される。

また、式（１）と式（３）より、下記式（４）が得られる。

式（３）をナビエ・ストークス方程式の圧力項と考えると、圧力ｐ_Ｅは下記式（５）で表される。

式（５）は、第１電極１６ａ、第２電極１６ｂ付近に−ｚ方向の圧力が生じることを意味する。本実施形態では、この−ｚ方向の圧力を用いて、導入された高温ガスがプラズマＰに起因した力により−ｚ方向に引かれる特性が利用される。
ポンプ１０では、プラズマの生成される領域が高温ガスの流れる方向に向くように第１電極１６ａ、第２電極１６ｂの配置を調整することにより、プラズマＰに起因して作られる力に、高温ガスの流れ方向の成分を含ませることができる。したがって、ポンプ１０は、この力を利用して効率よく、高温ガスを加速させることができる。

また、このようなアクチュエータについては、””””Airflow control by non-thermal plasma actuators”, Eric Moreau, Journal of Physics D: Applied Physics, J. Phys.D: Phys. 40 (2007) 605-636 に報告がなされている。

実際、第１電極１６ａ、第２電極１６ｂからなるアクチュエータ１６に、電圧１２ｋＶで、周波数１３ｋＨｚの交流電圧を印加し、第２電極１６ｂから第１電極１６ａを見た方向と反対側の方向に第２電極１６ｂから５０ｍｍ離れた位置でガスの速度を計測したとき、ガスの励起速度（速度の上昇分）が約０．７（ｍ／秒）であったことが確認されている。

このように、ポンプ１０は、従来のような軸受けを有する送風用ファンを用いる代わりに、アクチュエータ１６を用いることにより、導入された高温ガスの流れをプラズマによる吸引により加速させて高温ガスを循環させた後、高温ガスを吐出することができる。したがって、従来に比べてより簡単な構造で効率よく高温ガスを吐出させる高温ポンプを提供することができる。
また、ポンプ１０は、送風用ファンのような機械的駆動部分がなく、用いる部材は石英あるいは合成石英、及び第１電極１６ａ、第２電極１６ｂに用いる金属であるので、１０００℃以上の高温雰囲気中でもポンプとして用いることができる。

本実施形態では、アクチュエータ１６を内側円筒部材１２ａの外側面に設けたが、外側円筒部材１２ｂの内側面に設けることもできる。さらに、環状内部空間１２ｅの天井面や床面にアクチュエータ１６を設けることもできる。しかし、環状内部空間１２ｅの径方向内側に多く存在する速度の遅い高温ガスを加速させることができる点で、アクチュエータ１６を内側円筒部材１２ａの外側面に設けることが好ましい。

以上、本発明の高温ガス用ポンプについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および変形例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０ 高温ガス用ポンプ
１２ ポンプ容器
１２ａ 内側円筒部材
１２ｂ 外側円筒部材
１２ｃ，１２ｄ 平板部材
１２ｅ 環状内部空間
１２ｆ ガス導入口
１２ｇ ガス導入孔
１４ 吐出ノズル
１６ アクチュエータ
１８ 電源
２０ コントローラ
２２ ガス供給管
２４ 電力線
４０，４２ 誘電体
４４ 交流電源

Claims (6)

1. 高温ガス用ポンプであって、
   環状内部空間を備え、導入された高温ガスを前記環状内部空間の周方向に沿って流す循環経路を有するポンプ容器と、
   前記環状内部空間の一部分から循環する高温ガスを吐出させる吐出ノズルと、
   前記環状内部空間の誘電体からなる壁の周上の異なる位置に設けられる複数の電極対を有するアクチュエータであって、前記電極対のそれぞれは第１電極及び第２電極からなり、前記電極対のそれぞれの前記第１電極は前記壁から露出し、前記第２電極は前記誘電体内に埋め込まれ、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧が印加されて前記第１電極と前記第２電極の間にプラズマを生成することにより、高温ガスの流れを形成するアクチュエータと、
   前記電極対に電圧を印加する電源と、を有し、
   前記電極対それぞれの前記第２電極は、いずれも前記第１電極を基準にして前記循環経路の周方向の同じ側に設けられる、ことを特徴とする高温ガス用ガスポンプ。
2. 前記環状内部空間は、第１円筒部材の外側面と、前記外側面の中心軸に中心軸が一致し、かつ前記第１円筒部材の直径より大きい直径を有する第２円筒部材の内側面と、２つの平板の面で囲まれて形成され、前記電極対は前記内側面に設けられ、前記吐出ノズルの経路は前記循環経路から径方向外側に枝分かれし、前記吐出ノズルの壁面の一部は、前記循環経路の前記外側面から滑らかに延びている、請求項１に記載の高温ガス用ポンプ。
3. 前記第１電極及び前記第２電極は、前記第１円筒部材の中心軸方向に延びてお互いに平行に配置された細長い電極である、請求項２に記載の高温ガス用ポンプ。
4. 前記環状内部空間は、第１円筒部材の外側面と、前記第１円筒部材の中心軸に中心軸が一致し、かつ前記第１円筒部材の直径より大きい直径を有する第２円筒部材の内側面と、２つの平板の面で囲まれて形成され、
   前記環状内部空間の壁面のうち、前記外側面に高温ガスを導入するスリット状のガス導入口が設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の高温ガス用ポンプ。
5. 前記ガス導入口は、高温ガスを前記環状内部空間の壁面に対して前記環状内部空間の周方向に傾斜して導入し、導入される高温ガスの傾斜方向は、周方向のうち、前記第１電極を基準にして前記第２電極の側に向かう方向である、請求項４に記載の高温ガス用ポンプ。
6. 前記容器は、石英あるいは合成石英で構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高温ガス用ポンプ。