JP5731166B2 - 低温液化ガス用ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、低温液化ガスを移送するための低温液化ガス用ポンプに関するものである。

低温液化ガス（液体酸素、液体窒素、液体アルゴン、液化天然ガス（ＬＮＧ）などの沸点が−１５０℃以下の液化ガス）を配管を通して移送する際には、遠心式ポンプなどを使用して、圧力差を作ることによって行われる。

従来の遠心式低温液化ガス用ポンプには、つぎのようなものがある。
（１）軸シールポンプ（非特許文献１：Ｃｒｙｏｓｔａｒ社インターネットカタログ 型式ＧＢＳＤ）
（２）サブマージドポンプ（非特許文献２：日機装株式会社、クライオジェニックポンプカタログ Ｃａｔａｌｏｇｕｅ ＮＯ．２０７５Ｒ４、非特許文献３：Ｃｒｙｏｓｔａｒ社インターネットカタログ 型式ＶＳ、特許文献１：特開平６−２８８３８２）
（３）マグネットカップリング駆動シールレスポンプ（非特許文献４:ＣＳ＆Ｐ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ社インターネットカタログ 型式Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｐｕｍｐ ２”×３”×６．７”、特許文献２：特表２００１−５１４３６０）

前述のそれぞれについて説明する。
（１）軸シールポンプ（非特許文献１）
液体に圧力差を発生させるインペラを低温液化ガス中に存在させる一方、インペラを回転駆動するためのモータを大気中に存在させるポンプである。インペラとモータは、ハウジングを貫通するポンプシャフトで連結される。低温液化ガスはインペラを収容するハウジング内に充満しているが、ハウジングを貫通するポンプシャフトを低温液化ガスが漏れないように回転させるため、軸シールが用いられている。
（２）サブマージドポンプ(非特許文献２、非特許文献３、特許文献１)
インペラだけでなく、それを回転駆動するモータおよび軸受け全てを低温液化ガス中に存在させたポンプである。ポンプ全体を覆うケーシング内に低温液化ガスが充満され、軸シールを使用していない。
（３）マグネットカップリング駆動シールレスポンプ(非特許文献４、特許文献１)
インペラを低温液化ガス中に存在させ、インペラを回転駆動するためのモータを大気中に存在させるポンプである。インペラとモータは、圧力隔壁を介して分離された液相と気相にそれぞれ配置され、インペラ側シャフトとモータ側シャフトはマグネットカップリングで回転が伝達される。

ここで、ポンプの設置場所としては、一般に、定置式ポンプ設備として地上に設置する場合と、移動式ポンプ設備として車輛（タンクローリ車）に搭載される場合がある。また、使用方法としては、常時運転するケース、常時スタンバイ状態として必要な時だけ運転するケース、必要な時にスタンバイしてその後運転するケースなどがある。

特開平６−２８８３８２ 特表２００１−５１４３６０

Cryostar社インターネットカタログ 型式GBSD（http://www.cryostar.com/pdf/data-sheet/en/gbsd.pdf） 目機装株式会社、クライオジェニックポンプカタログ Ｃａｔａｌｏｇｕｅ ＮＯ．２０７５Ｒ４ Ｃｒｙｏｓｔａｒ社インターネットカタログ 型式ＶＳ（http://www.cryostar.com/pdf/data-sheet/us/vs.pdf） ＣＳ＆Ｐ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ社インターネットカタログ 型式Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｐｕｍｐ ２"×３"×６．７"（http://www.csphouston.com/industrial_cryogenic/centrifugal.php）

最も一般的なポンプは、固定部と回転部を摺動させながらシールする「軸シール」を有する軸シールポンプである。このポンプの最大の欠点は、軸シールが磨耗して寿命が来ると、低温液化ガスが漏れることである。漏れ出て飛散した液化ガスが人体に付着すると低温火傷になるなど危険であり、漏れ量が多くなるとロスが増えるだけでなくポンプ性能も低下する。また、可燃性のガスが漏れた場合は火災発生の危険性もある。そこで、軸シールを用いない「シールレスポンプ」と呼ばれるポンプが使用されている。

「シールレスポンプ」にはいくつかのタイプがあり、「サブマージドポンプ」と呼ばれるモータ部を含めて低温液化ガス中に浸漬させるものや、マグネットカップリングを用いて軸の貫通部を持たないものなどがある。

しかしながら、従来のシールレスポンプは、回転軸を低温液化ガス中に浸漬された軸受けで支えているため、軸受けが低温下で使用されることとなる。このため、一般的な潤滑剤であるグリースは使用限界温度以下となって使用することができない（例えば、市販されている航空機用汎用グリースの使用温度下限は−７３℃程度である）。また、仮に低温下で使用できる潤滑剤があったとしても、移送される低温液化ガス中に軸受けが浸漬されて回転することから、潤滑剤が低温液化ガス中に流入し、そのまま不純物となって混入してしまう。このため、セラミックボール軸受けやステンレス軸受けなど、低温液化ガスで潤滑させるものや固体潤滑剤を使用したものなど、一般的な軸受けに比べると高価なものを使用しなければならない。

また、軸受けの回転で摩擦熱が発生し、『サブマージドポンプ』ではモータの回転に伴って発生し、『マグネットカップリングポンプ』では渦電流により発生する熱が直接低温液化ガスを加熱することとなり、低温液化ガスを気化させてロスが多くなってしまう。

また、従来のサブマージドポンプでは、モータも低温液化ガス中に浸漬させるため、一般的なモータに使用される鉄材ではなく、低温脆性を起こさないステンレスなどの材料を使用したモータを使用せねばならず、モータが高価となる。

低温液化ガスをポンプで移送するためには、低温液化ガスが入る部分を予め液温付近まで冷やしておく「予冷」を行う必要がある。これは、ポンプ運転中に低温液化ガスがポンプ内部で気化することを防止し、ＮＰＳＨと呼ばれるポンプの吸込揚程を低くするためである。この予冷が不足していると、ポンプ内部で低温液化ガスが気化してキャビテーションを起こしやすくなり、ポンプを破損させることがある。したがって、予冷は低温液化ガスポンプを運転するためには必要な準備作業である。

上記予冷は、移送する低温液化ガスを運転前にポンプ内部に導くことによって行われるが、低温液化ガスに接触する全部分の予冷が完了する時間は、予冷が必要な部分の質量に大きく影響される。従来のシールレスポンプは、インペラだけでなくモータや軸受けまで予冷が必要で、低温液化ガス中に浸漬される部分の質量が大きくなるため、予冷で気化する低温液化ガスのロスが多くなるうえ、予冷に要する時間も長くなる。

一方、軸シールポンプは、モータの予冷が不要な分、予冷が必要な部分の質量が小さいため、ロスも少なく比較的早く予冷ができる。しかし、横型の軸シールポンプでは、予冷し過ぎてしまうとポンプシャフトを伝ってモータ内部まで温度低下が起こり、しばしばモータの使用周囲条件（−２０〜−３０℃）以下の温度まで軸受けを冷やし過ぎて、軸受けを劣化または破損させることがある。

ポンプを設置する設備との関係面では、サブマージドポンプの場合は、竪型で使用するため、最低でも「ポンプ部＋モータ部の高さ」以上の吸込側タンクの液面高さが必要である。これはモータを自液（液化ガス）で冷却するとともに、軸受けの冷却・潤滑剤として自液（液化ガス）を使用するためである。ところが、特にタンクローリでは、タンクを横置きに設置するため、吸込側タンクの液面高さをそれほど高く設定することが出来ず、サブマージドポンプの適用は実質的に困難である。地上設置型のタンクでも、サブマージドポンプは他のポンプと比べてポンプで移注できる液量が減ってしまい、非効率である。

従来の個々のポンプにおける課題をまとめると以下のようになる。

（１）軸シールポンプ
固定部と回転部で摺動させながらシールをする軸シールを有するため、それが摩耗により消耗する。摩耗で寿命が来ると、軸シール部から低温液化ガスが漏れる。
一般的な軸シールポンプの場合、ポンプシャフトの大気開放部が短く、ポンプ部を冷却し過ぎるとポンプシャフトの伝熱によりモータなどの軸受けをモータの使用周囲条件以下まで冷却し、軸受けを劣化または破損することがある。
その防止対策としてポンプシャフトに常温程度のガスや水を掛けたり、モータ軸受け部付近にヒータなどを取り付けて加温することがある。

（２）サブマージドポンプ
軸受けが低温液化ガス中にあるため、一般的な潤滑剤であるグリースが使用温度範囲から外れて使用できない。また、使用できる潤滑剤があったとしても、移送される低温液化ガス中に軸受けが浸漬されて回転することから、潤滑剤が低温液化ガス中に流入して不純物となる。そのため、セラミックボール軸受け、ステンレス軸受けなどをベースとした低温液化ガスで潤滑させる軸受けや、固体潤滑剤を使用した高価な軸受けが必要となる。
モータ部まで全て低温液化ガス中とする必要があるため、一般的なモータに使用される鉄材ではなく、ステンレスなど低温脆性を起こさない高価な材料を使用する必要があり、コストアップとなる。
モータ部まで全て低温液化ガス中とする必要があるため、吸込側タンクの液面高さをポンプ部＋モータ部以上に高くする必要がある。
モータ部まで全て低温液化ガス中とする必要があるため、予冷を要する構成部材の質量が多く、予冷時間が長くなり、低温液化ガスの気化ロス量が多い。
運転中のモータおよび軸受けからの発熱が低温液化ガスに直接吸収されるため、運転中も低温液化ガスの気化ロス量が多い。
モータ部の耐圧壁も低温となるため、アルミニウムやステンレスなどの低温に対応する高価な材料とする必要があり、コストアップとなる。

（３）マグネットカップリング駆動シールレスポンプ
軸受けが低温液化ガス中にあるため、一般的な潤滑剤であるグリースが使用温度範囲から外れて使用できない。また、使用できる潤滑剤があったとしても、移送される低温液化ガス中に軸受けが浸漬されて回転することから、潤滑剤が低温液化ガス中に流入して不純物となる。そのため、セラミックボール軸受け、ステンレス軸受けなどをベースとした低温液化ガスで潤滑させる軸受けや、固体潤滑剤を使用した高価な軸受けが必要となる。
マグネットカップリング間にある耐圧隔壁が低温液化ガスと接触するため、ステンレスなどの低温液化ガスに使用できる金属材料が使用される。しかしその金属耐圧隔壁を挟んでマグネットが回転するため耐圧隔壁で渦電流が発生し、発熱および動力ロスが発生する。
マグネットカップリング部まで低温液化ガス中とする必要があるため、予冷を要する構成部材の質量が多く、予冷時間が長くなり、低温液化ガスの気化ロス量が多い。
運転中、渦電流による発熱および軸受けからの発熱が低温液化ガスに直接吸収されるため、運転中も低温液化ガスの気化ロス量が多い。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、シールレスポンプでありながら予冷時間を短縮でき、低温液化ガスのロスも少ないためポンプ効率もよく、運転に必要な最低の液面高さも低く、コスト的にも有利な低温液化ガス用ポンプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の低温液化ガス用ポンプは、
モータによってインペラが回転駆動されることにより、低温液化ガスに圧力差を与えてポンプ移送する低温液化ガス用ポンプであって、
上記モータとインペラは、それらの間で回転駆動を伝達する回転伝達手段で連結され、 上記モータとインペラは、モータが上側にインペラが下側になるよう配置され、
上記モータおよびインペラがそれぞれ、互いに連通して低温液化ガスが導入される密閉空間内に存在し、
上記密閉空間は、それぞれ密閉空間の一部をなす、モータ用空間、インペラ用空間および回転伝達手段用空間を備えて構成され、
上記モータ用空間は低温液化ガスの液面より上側に、上記インペラ用空間は低温液化ガスの液面より下側に配置され、
上記モータとインペラの間には、上記回転伝達手段用空間と、その内部に存在する回転伝達手段の一部と、上記回転伝達手段用空間を形成するための熱調整ハウジングに熱を付与するための熱付与手段とを含んで構成されることにより、低温液化ガスの液相内にインペラを存在させるよう保つとともに、低温液化ガスの気相内にモータを存在させるよう保つための熱調整部が設けられ、
上記モータが存在するモータ用空間は、密閉された密閉空間であり、耐圧の圧力密閉空間に形成されている
ことを要旨とする。

本発明の低温液化ガス用ポンプは、モータとインペラの間に熱調整部が設けられていることから、インペラは低温液化ガスの液相内に保たれ、モータは低温液化ガスの気相内に保たれる。このため、モータを液中に浸漬せずにすみ、予冷時間を大幅に短縮できてそれに伴う低温液化ガスの気化ロス量を低減できるうえ、モータ自体を比較的安価な材料で構成することができ、コスト的に有利である。また、モータの発熱が低温液化ガスに直接作用しないため、運転中の低温液化ガスの気化ロス量が大幅に減少するため、ポンプ効率がよくなる。また。従来摩耗が問題となっていた軸シールや、渦電流が問題となっていたマグネットカップリングを使用しないため、これらの問題が発生することもない。さらに、モータは気相に保たれるため、吸込側タンクの液面高さはインペラ部の高さを確保すればよく、モータ部の高さを考慮しなくてよくなるため、運転に必要な最低の液面高さを低くできる。

また、上記密閉空間は、それぞれ密閉空間の一部をなす、モータ用空間、インペラ用空間および回転伝達手段用空間を備えて構成され、
上記モータ用空間は低温液化ガスの液面より上側に、上記インペラ用空間は低温液化ガスの液面より下側に配置され、
上記モータとインペラの間には、上記回転伝達手段用空間と、その内部に存在する回転伝達手段の一部と、上記回転伝達手段用空間を形成するための熱調整ハウジングに熱を付与するための熱付与手段とを含んで構成されることにより、低温液化ガスの液相内にインペラを存在させるよう保つとともに、低温液化ガスの気相内にモータを存在させるよう保つための熱調整部が設けられている。
このため、モータからインペラに対して回転を伝達するために必要な構造を利用して熱調整部を構成したことにより、構造的な無駄がなく、コストアップを避けながら、確実にモータを気相内に存在させ、確実にインペラを液相内に存在させることができる。また、上記熱付与手段の上側にモータが配置され、熱付与手段の下側にインペラが配置されることとなり、確実にモータを気相内に存在させ、確実にインペラを液相内に存在させることができる。
しかも、上記モータが存在するモータ用空間は、密閉された密閉空間であり、耐圧の圧力密閉空間に形成されている。
このため、ポンプの内部に引き込まれた低温液化ガスは、インペラによって動力が与えられて排出される。このとき、耐圧の密閉空間で行き止まりとなっているモータの方には入って行かない。冷気は下がり暖気は上がる性質と、低温の液化ガスがモータの方に入らないことから、例えば、下部インペラを含むポンプ構造部が低温部、中間の熱調整部が低温〜常温、上部のモータ部が常温と分けることができる。

本発明において、上記回転伝達手段は、モータの回転軸とインペラの回転軸の双方に対して同軸状の１または２以上のシャフトを含んで構成されている場合には、
モータからインペラに対して回転を伝達するための構造をできる限り単純化しながら、確実な熱調整を行い、構造的な無駄を生じることなく、確実にモータを気相内に存在させ、確実にインペラを液相内に存在させることができる。

本発明の第１実施形態の低温液化ガス用ポンプの全体構成を示す図である。 第２実施形態の低温液化ガス用ポンプの全体構成を示す図である。 第３実施形態の低温液化ガス用ポンプの全体構成を示す図である。 試験方法のイメージを示す図である。 直径１０ｍｍＳＵＳ３０４丸棒の表面温度の変化を示す図である。 直径２０ｍｍＳＵＳ３０４丸棒の表面温度の変化を示す図である。 直径３０ｍｍＳＵＳ３０４丸棒の表面温度の変化を示す図である。 シャフト径と温度安定時の温度分布を示す図である。 シャフト径の違いによる伝熱温度分布（理論計算値）を示す図。 熱調整ハウジング板厚の違いによる伝熱温度分布（理論計算値）を示す図。

つぎに、本発明を実施するための形態を説明する。

図１は、本発明の低温液化ガス用ポンプの第１実施形態を示す概略図である。

この装置は、モータ１によってインペラ２が回転駆動されることにより、低温液化ガスに圧力差を与えてポンプ移送する低温液化ガス用ポンプである。

上記モータ１としては、例えば、直流モータ、三相誘導モータなど一般的なモータをベースとして製作することができる。その他にＰＭモータ（永久磁石モータ）を使用することによりエネルギー効率のよいポンプとすることができる。

そして、上記モータ１は、外壁が耐圧壁４ａ，４ｂで囲われ、耐圧壁４ａ，４ｂの内側がモータ１が収容されるモータ用空間５に形成される。上記耐圧壁４ａ，４ｂおよびモータ１を含んでモータ部２０が形成されている。

上記インペラ２は、低温液化ガスを導入する導入流路６に連通するボリュートハウジング７内に配置されて回転駆動される。インペラ２がボリュートハウジング７内で回転することにより、導入流路６から導入された低温液化ガスに遠心力によって圧力差を与え、ボリュートハウジング７の外周部に設けられた吐出部８から吐出する。上記ボリュートハウジング７内の空間が、インペラ２が収容されるインペラ用空間９に形成される。図において符号１０は、低温液化ガスの流動を助けるインデューサ１０である。上記インペラ２、ボリュートハウジング７、インデューサ１０を含んでポンプ部１９が形成されている。

上記モータ１とインペラ２は、それらの間で回転駆動を伝達する回転伝達手段で連結されている。回転伝達手段としては、この例では、モータ１の回転軸とインペラ２の回転軸の双方に対して同軸状で共通の１本のシャフト３が使用されている。なお、上記シャフト３は、モータ１とインペラ２に共通の１本のものに限らず、モータ１用シャフトとインペラ２用シャフトを別々のものにし、両者をカップリング等で連結したものを用いることもできる。

上記モータ１とインペラ２の間は、ある程度の間隙が確保され、上記シャフト３の上記間隙を通過する部分は、熱調整ハウジング１２で覆われている。上記熱調整ハウジング１２の内側がシャフト３の一部が収容されるシャフト用空間１３に形成される。

上記モータ１およびインペラ２ならびにシャフト３はそれぞれ、互いに連通して低温液化ガスが導入される密閉空間１４内に存在する。上記密閉空間１４は、この例では、それぞれ上記密閉空間１４の一部をなす、モータ用空間５、インペラ用空間９および回転伝達手段用空間としてのシャフト用空間１３を備えて構成されている。モータ用空間５とインペラ用空間９ならびにシャフト用空間１３は互いに連通している。すなわち、ボリュートハウジング７、熱調整ハウジング１２およびモータ１の耐圧壁４ａ，４ｂにより１つの圧力密閉空間を作っている。

上記モータ１とインペラ２は、モータ１が上側にインペラ２が下側になるよう配置されている。

そして、上記モータ１とインペラ２の間は、低温液化ガスの液相内にインペラ２を存在させるよう保つとともに、低温液化ガスの気相内にモータ１を存在させるよう保つための熱調整部１１に形成されている。

上記熱調整部１１は、上記シャフト用空間１３と、その内部に存在するシャフト３の一部とを含んで構成されている。さらに、上記熱調整部１１は、上記シャフト用空間１３を形成するための熱調整ハウジング１２と、上記熱調整ハウジング１２に熱を付与するための熱付与手段としてのフィン１５をさらに含んで構成されている。

このように、モータ１とインペラ２の間に形成された間隙の部分に、熱調整部１１が設けられ、下側からインペラ２、熱調整部１１、モータ１の順に配置されている。このようにすることにより、冷気は下がり暖気は上がる性質により、ポンプの構造配置である下部のインペラ２を低温部とし、中間の熱調整部１１を低温〜常温とし、上部のモータ１を常温と、温度範囲を分けるのに有利となる。

上記シャフト３は、上記密閉空間１４内の気相に存在させた軸受け１６で軸支されている。このように、軸受け１６はモータ１の軸受けをポンプ軸受けと共用し、ポンプシャフトとモータシャフトを１本のシャフト３で共用している。

上記モータ１の上部には、モータ１と連動して回転する冷却ファン１７が配置され、モータ１の冷却が行われる。図において符号１８は、ファンカバー１８である。

このような構造により、低温液化ガスは、図面最下部のインデューサ１０部分よりポンプの内部に引き込まれ、インペラ２によって動力が与えられ、吐出部８から排出される。ポンプの内部に入った低温液化ガスは、吐出部しか出口がなく、密閉空間１４で行き止まりとなっているモータ１の方には入って行かない。

このように、熱の自然対流のように冷気は下がり暖気は上がる性質と、低温の液化ガスがモータ１の方に入らないことから、例えば、下部インペラ２を含むポンプ構造部が低温部、中間の熱調整部１１が低温〜常温、上部のモータ１部が常温と分けることができるのである。

このようにすることにより、インペラ２を収容するインペラ用空間９内は、導入流路６から導入されて吐出部８に向かって流れる低温液化ガスで満たされる。例えば−１５０℃以下に保たれ、液相の状態が維持される。一方、モータ１を収容するモータ用空間５内は、常温に近い温度、例えば−２０℃以上に保たれる。これにより、低温液化ガスが気化したガスで満たされ、気相の状態が維持される。シャフト用空間１３内は、モータ用空間５の温度とインペラ用空間９の温度の中間で、温度勾配が形成される。

液相で満たされる部分は、導入流路６からポンプ部１９までである。具体的には、ボリュートハウジング７、熱調整ハウジング１２の底部、インペラ２、シャフト３の一部、インデューサ１０などの最低必要部品のみとなる。ポンプ部１９を下部に配置し、液相で満たされる部分をポンプ部１９までとすることにより、ポンプ内の液面高さを低くし、吐出部８の高さまでとすることができる。

上記熱調整部１１が形成されるモータ１とインペラ２の間隙は、上述したように、モータ１を気相中に保つとともに、インペラ２を液相中に保つことができるように設定される。例えば、シャフト３の径、熱調整ハウジング１２の肉厚、それぞれ材質等の要因により、適宜設定される。

例えば、材質をＳＵＳ３０４、雰囲気温度が２０℃、低温液化ガスを液体窒素とし、モータ部２０の温度を５℃以上とする場合、シャフト３の径が３０ｍｍであれば、熱調整部１１の距離は３００ｍｍ以上、その際の熱調整ハウジング１１の肉厚は１５ｍｍ以下とすることができる。

熱調整部１１の適切な長さは、熱調整部１１に対応するシャフト３の長さと、熱調整ハウジング１２の長さを適切に設定する。理論計算および試験により、モータ部２０入口が適当な設定温度となる長さ、シャフト３の径、熱調整ハウジング１２の板厚等を求めることができる。

このように、本実施形態は、従来の軸シールを無くすために、モータ部２０とポンプ部１９の内部を互いに連通する密閉空間１４とし、シャフト３を大気へ貫通させない構造とする。そのためにモータ部２０の外壁は耐圧壁４ａ，４ｂとしている。

また、ポンプを竪型に配置し、適切な熱調整部１１で液相部と気相部に分けることにより、モータ１内の軸受け１６を常温（ここでいう常温とは、一般的なモータの使用環境温度であり、−２０〜４０℃程度である）とする。これにより、軸受け１６を低温液化ガスと直接接触させない構造とする。このため、一般的なグリースを潤滑剤として使用する鉄製の安価な軸受けなどが使用できる。

また、モータ部２０を低温液化ガスに直接接触させない構造とし、一般的で安価な鉄材を使用できる。モータ部２０の発熱は、モータ１と連動する冷却ファン１７により冷却する構造とする。さらに、モータ部２０の外壁を耐圧壁４ａ，４ｂとすることにより、渦電流の発生源となる駆動マグネット間に金属隔壁を持つ構造としない。

そして、ポンプ部１９のみを低温の液相部とし、低温液化ガスが接触する構成部材の質量を可能な限り減らした構造とする。具体的な主要部材では、ボリュートハウジング７、熱調整ハウジング１２の底部、インデューサ１０、インペラ２およびシャフト３の先端のみが低温液化ガスと接触する。

ポンプを竪型に配置し、適切な熱調整部１１によって低温の液相部と常温の気相部に分けることにより、モータ１内の軸受け１６にポンプ冷却による影響が及ばない構造とした。

また、ポンプ内に入る低温液化ガス部の液面高さを吐出部８の高さまでとなる低い構造とした。また、モータ１の外壁を耐圧壁構造とするため、設計圧力に耐えうる必要肉厚以上、すなわち、高圧ガス保安法に基づく規定最小肉厚以上とした。さらに、シャフト３はモータ１とインペラ２で同一シャフトとし、モータ１内の軸受け１６のみで支持する構造とした。

具体的には、モータ部２０の耐圧壁４ａ，４ｂ、ボリュートハウジング７、熱調整ハウジング１２のそれぞれの接合部には、ガスケット、Ｏ−リングなどのシール材を使用し、フランジなどをボルトで締め込むか、またはねじ構造として締め込むことにより密閉構造としている。

以上のように、本実施形態の低温液化ガス用ポンプによれば、つぎのような効果を奏する。

ポンプ部１９の内部、熱調整部１１の内部、モータ部２０の内部がお互いに連通する密閉空間１４となったことにより、大気とのシャフト貫通部がなくなり、軸シールが不要となる。
竪型に上部からモータ部２０、適切な熱調整部１１、ポンプ部１９を配置したことにより、モータ部２０および軸受け１６を例えば常温とすることができ、モータ１の材質、軸受け１６の材質に、例えば鉄鋼等の一般的なものが使用できるようになる。また、軸受け１６の潤滑剤も例えばグリース等の一般的なものも使用できるようになる。
竪型に上部からモータ部２０、適切な熱調整部１１、ポンプ部１９を配置したことにより、モータ部２０および軸受け１６を例えば常温とすることができ、これらから発生する熱を直接低温液化ガスに吸収されないようになり、ロスとなる気化ガス量を減らすことができる。
竪型に上部からモータ部２０、適切な熱調整部１１、ポンプ部１９を配置したことおよびモータ部２０を密閉としたことにより、ポンプ内の低温液化ガスが入る液面高さが吐出部８高さまでとなり、ポンプ部１９のみ低温の液相部とすることができ、低温液化ガスと接触するポンプ主要構成部材がボリュートハウジング７、熱調整ハウジング１２の底部、インデューサ１０、インペラ２およびシャフト３先端部と少なくなり、ポンプ予冷時に発生する気化ガスロスを減らせると共に、予冷時間を短縮することができる。また、低温液化ガスの入る液面高さを低くできることにより、吸込側タンクの液面高さ下限を低くすることができる。
適切な熱調整部１１を設けることによりポンプ部１９は低温の液相内に存在させ、モータ部２０は例えば常温の気相内に存在させることができる。

図２は、本発明の第２実施形態を示す。

この例は、モータ部２０として、耐圧壁４ａ，４ｂを有しないものとした例である。すなわち、モータ１は、耐圧構造でない外壁２１ａ，２１ｂに覆われてモータ部２０が構成され、モータ部２０の外側を、別の圧力壁２２ａ，２２ｂで覆ったものである。それ以外は、上記第１実施形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この例でも、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

図３は、本発明の第３実施形態を示す。

この例は、マグネットカップリングを用いてモータ部２０の外部のファン２４を駆動させ、モータ１を冷却するようにしたものである。すなわち、シャフト３のモータ１側を耐圧壁４ｂより外側に貫通させ、突出した部分にインナーマグネット２５を取り付ける。このインナーマグネット２５の周囲を耐圧カバー２６で密閉状に覆い、その外側にアウターマグネット２７を備えたファン２４を配置する。それ以外は、上記第１実施形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この例でも、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

なお、モータ１の冷却は、別置きのモータ連動冷却ファンを用いたり、別設置の冷却ファンを使用したり、水冷による冷却を適用したりすることもできる。

上記各実施形態では、熱調整部１１またはモータ部２０をヒータなどで加温することにより、熱調整部１１の長さを短くすることもできる。また、熱伝導率の低い材料を全部または部分的に使用することにより、熱調整部１１の長さを短くすることができる。これらの場合も同様の作用効果を奏する。

上記各実施形態では、回転伝達手段としては、１本もしくは２本のシャフトを用いる例を説明したが、これに限定するものではなく、モータ１の回転をインペラ２に伝達しうるものであれば、他の手段を用いることもできる。例えば、モータ１用シャフトと、インペラ２用シャフトとの間をギヤ、チェーン、ベルト等を用いて連結して回転を伝達するようにしてもよい。

つぎに、熱調整部１１の適切な長さ（距離）について検討した。

熱調整部１１の適切な長さは、熱調整部１１に対応するシャフト３の長さと、熱調整ハウジング１２の長さを適切に設定する。理論計算および試験により、モータ部２０入口が適当な設定温度となる長さ、シャフト３の径、熱調整ハウジング１２の板厚等を求めることができる。

低温の液相部と常温の気相部を分けるために適切な熱調整部１１の長さ決定のため、シャフト３の温度分布試験を行った。この結果、下記に詳細を述べるように、下記の表１に示すよう、−３０〜１０℃の範囲で、シャフト３の径に対して液体窒素液面からの必要な距離が求められた。

シャフト３の先端が液体窒素に浸漬された状態の時のシャフト径と伝熱による温度変化およびシャフト３の径と温度安定時の温度分布を調べた。

（試験条件）
ポンプシャフト：同じ材質のＳＵＳ３０４の丸棒を使用した。
シャフト径：直径１０，２０，３０ｍｍのものを使用した。
雰囲気温度：室温（２０〜２２℃）
雰囲気環境：自然対流状態
外気温度：２０℃
（測定機器）
温度測定および記録：ポータブルマルチロガー ＺＲ−ＲＸ４０（オムロン製）
熱電対：Ｋタイプ熱電対

（試験方法）
図４は、試験方法のイメージを示す図である。
（１）φ１０、２０および３０ｍｍのＳＵＳ３０４丸棒の下部先端から、０．１５、０．２０、０．２５、０．３５、０．４０、０．４５、０．５０、０．５５および０．６０ｍの位置に熱伝対を貼り付ける。
（２）ＳＵＳ３０４丸棒の先端から０．１０ｍまで液体窒素に浸漬させ、常に液体窒素の液面が先端から０．１０ｍの位置となるように液体窒素を補充する。
（３）液化窒素浸漬直後より温度を計測し、記録した。計測位置は液体窒素液面から５０ｍｍ間隔で５０ｍｍ〜５００ｍｍの位置とした。

（測定結果）
図５は、直径１０ｍｍ−ＳＵＳ３０４丸棒の表面温度の変化（液面から各距離）を示す。
図６は、直径２０ｍｍ−ＳＵＳ３０４丸棒の表面温度の変化（液面から各距離）を示す。
図７は、直径３０ｍｍ−ＳＵＳ３０４丸棒の表面温度の変化（液面から各距離）を示す。

（シャフト径と伝熱による温度変化まとめ）
直径１０ｍｍのＳＵＳ３０４丸棒の場合、試験開始後４０分程度で温度変化が安定した。
直径２０ｍｍのＳＵＳ３０４丸棒の場合、試験開始後１００分程度で温度変化が安定した。
直径３０ｍｍのＳＵＳ３０４丸棒の場合、試験開始後１５０分程度で温度変化が安定した。

図８は、シャフト径と温度安定時の温度分布を示す図である。
試験結果より、全てのシャフト径における温度安定時間をやや余裕を持って試験開始後１７０分として温度安定時の温度分布をグラフ化した。
表１は、各シャフト径の安定温度と液体窒素液面からの距離をグラフから読み取り、まとめたものである。

つぎに、シャフトおよび熱調整ハウジング１２の温度分布について、理論計算でも検討を行なった。

まず、ポンプシャフト温度分布を計算した。

（１）自然対流による表面熱伝達率を計算した（ＪＩＳ Ａ ９５０１ ２００１ ５．３．３（２）垂直平面及び管の計算式参照）

＜式＞
ｈｃｖ＝２．５６×Δθ^０．２５×｛（ω＋０．３４３８）／０．３４８｝^０．５
ｈｃｖ：対流による表面熱伝達率（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ））
Δθ：温度差（Ｋ）（液化窒素温度７７Ｋ、室温２９３Ｋとして計算）
ω：風速（ｍ／ｓ）（自然対流の場合０ｍ／ｓとして計算）
＜計算＞
ｈｃｖ＝２．５６×（２９３−７７^０．２５×｛（０＋０．３４３８）／０．３４８｝^０．５
＝９．８１４（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ））

（２）簡易温度分布計算
（１）で得られた結果を用いて簡易温度分布を計算（吉田駿著，伝熱学の基礎，株式会社理工学社，ｐ．３６〜３９，（１９９９））
＜仮定＞
・温度は軸に直角な断面上では一様である。
・表面から周囲流体（温度Ｔｂ）への熱伝達率α（上記計算値のｈｃｖ）は全面にわたって一様である。
・断面積Ａも周長Ｓも軸方向に一定である。
・熱伝導率λは一定である。
＜計算条件＞
全長 Ｈ＝０．５ｍ
液化窒素温度 Ｔ０＝７７Ｋ
室温 Ｔｂ＝２９３Ｋ
熱伝達率 α＝９．８１４（（１）計算値）
シャフト径 φ＝３０ｍｍ（材質ＳＵＳ３０４）
シャフト周長 Ｓ＝０．０９４２ｍ
シャフト断面積 Ａ＝７．０６５×１０^−４
ＳＵＳ３０４熱伝導率（室温，２９３Ｋ） λ＝１５．９Ｗ／（ｍ・Ｋ）
(日本熱物性学会編：新偏熱物性ハンドブック，株式会社養賢堂，ｐ．２１３，（２００８））
＜計算＞
（ｘは液面から温度計測点までの距離（ｍ）、その点の温度をＴとする)
ｍ＝（（α×Ｓ）／（λ×Ａ））^０．５ ｍ^−１…（式２・７３より）
温度分布Θ＝（ｅ^（ｍ（Ｈ−ｘ））＋ｅ^（−ｍ（Ｈ−ｘ）／（ｅ^（ｍＨ）＋ｅ^（−ｍＨ））…（式２・７９より）
Θ＝（Ｔ−Ｔｂ）／（Ｔ０−Ｔｂ）…（式２・７２より）
上記式を解き、簡易の温度分布を求めた。
＜計算結果＞

（３）簡易温度分布における温度補正
（Ａ）（２）の簡易温度分布で得られた温度時のそれぞれの計算点における放射による表面熱伝達率を求め、（１）の計算値と合わせて表面熱伝達率とする（ＪＩＳ Ａ 9501 ２００１ ５．３．３（１）参照）。
ｈｒ＝ａｒ×Ｃｒ（Ｗ／（ｍ^２Ｋ））
ａｒ＝（（Ｔｓｅ）^４−（Ｔａ）^４）／（Ｔｓｅ−Ｔａ） （Ｋ^３）
Ｃｒ＝ε・σ （Ｗ／（ｍ^２・Ｋ^４））
ｈｒ：放射による表面熱伝達率（Ｗ／（ｍ^２Ｋ）
Ｔｓｅ：（２）の計算で得られたそれぞれの距離における温度（Ｋ）
Ｔａ：室温（２９３Ｋ）
ε：０．３０(ステンレス鋼板の数値を使用)
σ:ステファン・ボルツマン定数 ５．６７×１０^−８（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ^４）
表面熱伝達率（ｈｓｅ）（ＪＩＳ Ａ ９５０１ ２００１ ５．３．３参照）
ｈｓｅ＝ｈｒ＋ｈｃｖ
ｈｃｖ：(１）の計算値
＜計算結果＞

（Ｂ）（２）の簡易温度分布で得られた温度時のそれぞれの計算点における熱伝導率を求める。
各温度におけるＳＵＳの熱伝導率は、信貴豊一郎監修：低温工学ハンドブック、株式会社内田老鶴圃新社、ｐ．１９７、（１９８２）に記載のＴ＞１Ｋにおける各種物質の熱伝導率のグラフから６０Ｋ、１００Ｋにおける熱伝導率を読取り、（２）の計算で使用した２９３Ｋの熱伝導率にて６０Ｋ−１００Ｋ間の近似一次関数式、１００Ｋ−２９３Ｋ間の近似一次関数式を導き、それぞれの計算点における熱伝導率とした。
＜計算結果＞（それぞれの点ｘにおける温度Ｔの熱伝導率をλ２とする）

上記（Ａ）の計算値をα、（Ｂ）の計算値をλとして（２）の計算を再度実施し、計算による温度分布値とした。
＜計算条件＞
全長 Ｈ＝０．５ｍ
液化窒素温度 Ｔ０＝７７Ｋ
室温 Ｔｂ＝２９３Ｋ
表面熱伝達率 α=（Ａ）で求めたｈｓｅの値
シャフト径 φ＝３０ｍｍ（材質ＳＵＳ３０４）
シャフト周長 Ｓ＝０．０９４２ｍ
シャフト断面積 Ａ＝７．０６５×１０^−４
ＳＵＳ３０４熱伝導率 λ=（Ｂ）の計算で求めたλ２の値Ｗ／（ｍ・Ｋ）

＜計算＞
（ｘは液面から温度計測点までの距離（ｍ）、その点の温度をＴ２とする)
ｍ＝（（α×Ｓ）／（λ×Ａ）^０．５ ｍ^−１…（式２・７３より）
温度分布Θ２＝（ｅ^（ｍ（Ｈ−ｘ））＋ｅ^（−ｍ（Ｈ−ｘ）／（ｅ^（ｍＨ）＋ｅ^（−ｍＨ））…（式２・７９より）
Θ２＝（Ｔ−Ｔｂ）／（Ｔ０−Ｔｂ）…（式２・７２より）
上記式を解き、温度分布を求めた。
＜計算結果＞

（４）ポンプシャフト径をφ１０ｍｍ、２０ｍｍに対しても同様に（１）〜（３）の計算を行うと図９のような結果が得られ、代表的に温度と液体窒素液面からの距離の数値を読み取ると表６のようになる。
＜計算結果＞

（熱調整ハウジング温度分布の計算）
ポンプシャフトと同様の考えで熱調整ハウジング(材質ＳＵＳ３０４)の板厚の違いによる温度分布を求めると図１０のようになる(上記計算（１）〜（４）にて計算)。なお、熱調整ハウジングの内径は１００ｍｍとして計算した。

これらの試験および理論計算の結果からわかる通り、実測値、理論値とも同様の結果形態を示している。これらに従ってシャフトと熱調整ハウジングの設計を行なえば、本発明は十分に実施可能であることがわかる。

１：モータ
２：インペラ
３：シャフト
４ａ：耐圧壁
４ｂ：耐圧壁
５：モータ用空間
６：導入流路
７：ボリュートハウジング
８：吐出部
９：インペラ用空間
１０：インデューサ
１１：熱調整部
１２：熱調整ハウジング
１３：シャフト用空間
１４：密閉空間
１５：フィン
１６：軸受け
１７：冷却ファン
１８：ファンカバー
１９：ポンプ部
２０：モータ部
２１ａ：外壁
２１ｂ：外壁
２２ａ：圧力壁
２２ｂ：圧力壁
２４：ファン
２５：インナーマグネット
２６：耐圧カバー
２７：アウターマグネット

Claims (2)

1. モータによってインペラが回転駆動されることにより、低温液化ガスに圧力差を与えてポンプ移送する低温液化ガス用ポンプであって、
   上記モータとインペラは、それらの間で回転駆動を伝達する回転伝達手段で連結され、 上記モータとインペラは、モータが上側にインペラが下側になるよう配置され、
   上記モータおよびインペラがそれぞれ、互いに連通して低温液化ガスが導入される密閉空間内に存在し、
   上記密閉空間は、それぞれ密閉空間の一部をなす、モータ用空間、インペラ用空間および回転伝達手段用空間を備えて構成され、
   上記モータ用空間は低温液化ガスの液面より上側に、上記インペラ用空間は低温液化ガスの液面より下側に配置され、
   上記モータとインペラの間には、上記回転伝達手段用空間と、その内部に存在する回転伝達手段の一部と、上記回転伝達手段用空間を形成するための熱調整ハウジングに熱を付与するための熱付与手段とを含んで構成されることにより、低温液化ガスの液相内にインペラを存在させるよう保つとともに、低温液化ガスの気相内にモータを存在させるよう保つための熱調整部が設けられ、
   上記モータが存在するモータ用空間は、密閉された密閉空間であり、耐圧の圧力密閉空間に形成されている
   ことを特徴とする低温液化ガス用ポンプ。
2. 上記回転伝達手段は、モータの回転軸とインペラの回転軸の双方に対して同軸状の１または２以上のシャフトを含んで構成されている請求項１記載の低温液化ガス用ポンプ。

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