WO2024085216A1

WO2024085216A1 - 液化ガス用のポンプ装置

Info

Publication number: WO2024085216A1
Application number: PCT/JP2023/037825
Authority: WO
Inventors: 修一郎本田; 幸三真武
Original assignee: 株式会社荏原製作所
Priority date: 2022-10-20
Filing date: 2023-10-19
Publication date: 2024-04-25

Abstract

本発明は、液体水素、液化天然ガスなどの極低温の液化ガスを移送するためのポンプ装置に関し、特に電動機をポンプの駆動源として有するポンプ装置に関するものである。ポンプ装置は、羽根車（２）を有するポンプ（１）と、羽根車（２）が固定された回転軸（５）と、回転軸（５）および羽根車（１）を回転させるための電動機（７）を備える。電動機（７）のロータ組立体（２１）は、回転軸（５）に固定されたモータロータ（４０）と、モータロータ（４０）の両側に配置されたサイドリング（４１）と、サイドリング（４１）の外周面に固定された密閉カバー（４２）を備える。密閉カバー（４２）はガラス繊維から構成されている。

Description

液化ガス用のポンプ装置

　本発明は、液体水素、液化天然ガスなどの極低温の液化ガスを移送するためのポンプ装置に関し、特に電動機をポンプの駆動源として有するポンプ装置に関する。

　近年、二酸化炭素削減のため、液体水素（沸点－２５３℃）や液化天然ガス（沸点－１６０℃）等の極低温液を輸送するためのポンプ装置の需要が増える傾向にある。例えば、液体水素は、二酸化炭素を排出しない発電ガスタービン用の燃料として使用されることがあり、また航空機エンジン用の燃料としても使用されることがある。

　液体水素や液化天然ガスなどの液化ガスは、極めて小さい比重を有しているため、液化ガス用のポンプ装置は、高速で回転することが要求される。特に、高い吐出圧力が要求される航空機エンジンや、ポンプ装置の小型化が要求される用途では、ポンプ装置の回転速度は数万min^-1にも達することがある。

　ポンプ装置は、一般に、羽根車を有するポンプと、羽根車を回転させるための電動機を備えている。羽根車の回転に伴い、液化ガスはポンプ内に吸い込まれ、羽根車の回転によって昇圧され、そしてポンプから吐き出される。昇圧された液化ガスの一部は、電動機が配置されるモータ室内に流れ、モータ室を満たす。したがって、電動機は液化ガスに浸漬される。

特開平９－１９０９３号公報

　しかしながら、電動機のモータロータに使用される材料は、液化ガスに対して脆性があり、液化ガスに接触したモータロータの強度が経時的に低下してしまうことがある。また、上述のように、モータロータは超高速で回転するため、モータロータには大きな遠心力が加わり、モータロータには大きな応力が発生する。結果として、モータロータの一部が変形したり、欠損することがある。

　そこで、本発明は、モータロータを液化ガスから隔離する構造を有し、かつ超高速で回転するモータロータの機械的強度を補強することができるポンプ装置を提供する。

　一態様では、液化ガス用のポンプ装置であって、羽根車を有するポンプと、前記羽根車が固定された回転軸と、前記回転軸および前記羽根車を回転させるための電動機を備え、前記電動機は、前記回転軸と一体に回転可能なロータ組立体と、前記ロータ組立体を囲むコイルおよびステータコアを有するモータステータを有し、前記ロータ組立体は、前記回転軸に固定されたモータロータと、前記モータロータの両側に配置されたサイドリングと、前記サイドリングの外周面に固定された密閉カバーを備え、前記密閉カバーはガラス繊維から構成されている、ポンプ装置が提供される。

　一態様では、前記サイドリングは、ガラス繊維から構成されている。
　一態様では、前記ポンプ装置は、前記回転軸の軸方向において前記サイドリングの外側に配置されたバランスリングと、前記バランスリングの外周面に固定された非磁性金属カバーをさらに備えており、前記非磁性金属カバーおよび前記バランスリングは、前記密閉カバー、前記サイドリング、および前記モータロータが配置される密閉空間を形成する。
　一態様では、前記ポンプ装置は、前記コイルの端部の半径方向内側に配置されたコイル保護カバーをさらに備えており、前記コイル保護カバーは非金属材料から構成されている。

　一態様では、液化ガス用のポンプ装置であって、羽根車を有するポンプと、前記羽根車が固定された回転軸と、前記回転軸および前記羽根車を回転させるための電動機を備え、前記電動機は、前記回転軸と一体に回転可能なロータ組立体と、前記ロータ組立体を囲むコイルおよびステータコアを有するモータステータを有し、前記ロータ組立体は、前記回転軸に固定されたモータロータと、前記モータロータの両側に配置されたバランスリングと、前記バランスリングの外周面に固定された密閉カバーと、前記密閉カバーの外周面上に配置された円筒補強カバーを備え、前記密閉カバーは非磁性金属から構成されており、前記円筒補強カバーはガラス繊維から構成されている、ポンプ装置が提供される。

　一態様では、前記円筒補強カバーの両端は、前記回転軸の軸方向において前記バランスリングよりも内側に位置している。
　一態様では、前記モータロータは、前記回転軸の周方向に配列された複数のロータバーと、前記複数のロータバーの両端に固定されたエンドリングを備えており、前記円筒補強カバーの両端は、前記回転軸の軸方向において前記エンドリングよりも内側に位置している。
　一態様では、前記ポンプ装置は、前記モータロータの両側に配置されたサイドリングをさらに備えており、前記モータロータは、前記回転軸の周方向に配列された複数の永久磁石を有し、前記サイドリングは、非金属材料から構成されている。
　一態様では、前記サイドリングは、ガラス繊維から構成されている。
　一態様では、前記ポンプ装置は、前記コイルの端部の半径方向内側に配置されたコイル保護カバーをさらに備えており、前記コイル保護カバーは非金属材料から構成されている。

　一態様では、液化ガス用のポンプ装置であって、羽根車を有するポンプと、前記羽根車が固定された回転軸と、前記回転軸および前記羽根車を回転させるための誘導電動機を備え、前記誘導電動機は、前記回転軸と一体に回転可能なロータ組立体と、前記ロータ組立体を囲むコイルおよびステータコアを有するモータステータを有し、前記ロータ組立体は、前記回転軸の周方向に配列された複数のロータバー、および前記複数のロータバーの両端に接続されたエンドリングを有するモータロータと、前記エンドリングに接触するバランスリングと、前記エンドリングの外周面を囲む第１補強カバーと、前記複数のロータバーを囲む第２補強カバーを備えている、ポンプ装置が提供される。

　一態様では、前記第１補強カバーはガラス繊維から構成されている。
　一態様では、前記第２補強カバーはガラス繊維から構成されている。
　一態様では、前記第１補強カバーの厚さは、前記第２補強カバーの厚さよりも大きい。
　一態様では、前記第２補強カバーは非磁性金属から構成されており、前記第２補強カバーは前記バランスリングに固定されている。

　密閉カバーおよびサイドリングは、モータロータが配置される密閉空間を形成する。したがって、電動機のモータ室内に存在する液化ガスまたはそのボイルオフガスからモータロータを保護することができる。また、ガラス繊維からなる密閉カバーは、モータロータの機械的強度を補強することができる。したがって、超高速で回転するモータロータに大きな遠心力が加わったときに、モータロータを構成する各部材の変形および破損を防止することができる。

　密閉カバーおよびバランスリングは、モータロータが配置される密閉空間を形成する。したがって、電動機のモータ室内に存在する液化ガスまたはそのボイルオフガスからモータロータを保護することができる。また、ガラス繊維からなる円筒補強カバーは、モータロータの機械的強度を補強することができる。したがって、超高速で回転するモータロータに大きな遠心力が加わったときに、モータロータを構成する各部材の変形および破損を防止することができる。

　第１補強カバー、第２補強カバー、およびバランスリングは、電動機のモータ室内に存在する液化ガスまたはそのボイルオフガスからモータロータを保護することができる。また、非磁性材料からなる第１補強カバーおよび第２補強カバーは、モータロータの機械的強度を補強することができる。したがって、超高速で回転するモータロータに大きな遠心力が加わったときに、モータロータを構成するエンドリングおよびロータバーの変形および破損を防止することができる。

液化ガスを移送するためのポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。図１に示すポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。図２のロータ組立体の断面図である。他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。図６のロータ組立体の断面図である。さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。図４を参照して説明した非磁性金属カバーを、図１０を参照して説明した実施形態に適用した一実施形態を示す図である。さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。図５を参照して説明したコイル保護カバーを、図１２を参照して説明した実施形態に適用した一実施形態を示す図である。さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。図５を参照して説明したコイル保護カバーを、図１４を参照して説明した実施形態に適用した一実施形態を示す図である。ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す図である。ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す図である。ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す図である。ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、液化ガスを移送するためのポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。液化ガスの具体例としては、液体水素、液化天然ガス、液体酸素、液体窒素、液体アンモニアなどが挙げられる。

　図１に示すように、ポンプ装置は、羽根車２を有するポンプ１と、羽根車２が固定された回転軸５と、回転軸５および羽根車２を回転させるための電動機７を備えている。ポンプ１は、羽根車２が内部に収容される羽根車ケーシング１５を備えている。羽根車ケーシング１５は、液化ガスの吸込み口１６および吐出し口（図示せず）を有している。羽根車２の液体入口２ａは、吸込み口１６を向いている。羽根車ケーシング１５の材料の例としては、鉄、鋳鉄、ステンレス鋼、ニッケル合金などが挙げられる。ポンプ１の吸込み口１６は、液化ガスが貯留される貯留タンク（図示せず）に直接または間接に連結されている。

　ポンプ装置は、回転軸５を回転可能に支持する軸受３１，３２を備えている。電動機７は、回転軸５と一体に回転可能なロータ組立体２１と、ロータ組立体２１を囲むモータステータ２２と、モータステータ２２を保持するモータハウジング２３を備えている。モータハウジング２３は、その内部にモータ室２４を形成し、ロータ組立体２１およびモータステータ２２は、モータ室２４内に配置されている。モータステータ２２は、ロータ組立体２１を囲むように配置された複数のコイル２６と、これらコイル２６を保持するステータコア２７を有する。モータステータ２２は、モータハウジング２３の内面に面接触している。モータハウジング２３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されている。

　羽根車ケーシング１５は、その裏側に形成された液化ガス流路３５を有している。羽根車２の回転によって昇圧された液化ガスの一部は、液化ガス流路３５を通ってモータ室２４に導かれる。モータ室２４内の液化ガスは、ロータ組立体２１、モータステータ２２、および軸受３１，３２を冷却し、その後、回転軸５内に形成された戻り流路３７を通って、ポンプ１の低圧側に戻される。このように、液化ガスの一部は、ポンプ１と電動機７との間を循環する。液化ガスは電気的絶縁性を有しているので、液化ガスがコイル２６に浸漬されても、漏電することはない。

　ポンプ装置の動作は次の通りである。電動機７が回転軸５および羽根車２を回転させると、液化ガスは吸込み口１６を通って羽根車ケーシング１５内に流入し、さらに液体入口２ａを通って羽根車２内に流入する。液化ガスは、羽根車２の回転に伴って昇圧され、吐出し口（図示せず）から吐き出される。羽根車ケーシング１５内の昇圧された液化ガスの一部は、液化ガス流路３５を通過してモータ室２４内に移動する。モータ室２４内の液化ガスは、ロータ組立体２１、モータステータ２２、および軸受３１，３２を冷却し、その後、戻り流路３７を通って、ポンプ１の低圧側に戻される。

　図２は、図１に示すポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。図２に示すように、ロータ組立体２１は、回転軸５に固定されたモータロータ４０と、モータロータ４０の両側に配置されたサイドリング４１と、サイドリング４１の外周面に固定された密閉カバー４２を備えている。サイドリング４１は、回転軸５の外周面に固定されている。

　本実施形態の電動機７は、誘導電動機である。したがって、モータロータ４０は、回転軸５の周方向に配列された複数のロータバー４４と、複数のロータバー４４の両端に接続されたエンドリング４５を備えている。

　図３は、図２に示すロータ組立体２１の断面図である。図３に示すように、複数のロータバー４４は、回転軸５の周方向に配列されている。モータロータ４０は、積層された複数の電磁鋼板からなるロータコア４６を備えており、複数のロータバー４４はロータコア４６内に配置されている。密閉カバー４２は、ロータコア４６の外周面に接触している。

　ロータバー４４およびエンドリング４５の材料は特に限定されないが、ロータバー４４およびエンドリング４５の材料の例としては、アルミニウム（特に純アルミニウム）、銅が挙げられる。一実施形態では、ロータバー４４およびエンドリング４５は、ダイキャストによって製造された一体的構造体である。

　密閉カバー４２は円筒形状を有しており、ガラス繊維から構成されている。密閉カバー４２の軸方向の長さは、モータロータ４０の軸方向よりも長い。サイドリング４１は、回転軸５の軸方向においてエンドリング４５の外側に配置されている。サイドリング４１は、エンドリング４５に接触している。本実施形態では、サイドリング４１もガラス繊維から構成されている。密閉カバー４２は、例えば接着剤によりサイドリング４１に固定されている。密閉カバー４２とサイドリング４１は、同じ材料から形成され、同じ線膨張係数を有する。したがって、密閉カバー４２とサイドリング４１が温度変化に起因して変形したときに、密閉カバー４２とサイドリング４１との接合部に隙間が生じない。

　密閉カバー４２およびサイドリング４１は、モータロータ４０が配置される密閉空間を形成する。したがって、電動機７のモータ室２４内に存在する液化ガスからモータロータ４０を保護することができる。また、ガラス繊維からなる密閉カバー４２は、モータロータ４０の機械的強度を補強することができる。したがって、超高速で回転するモータロータ４０に大きな遠心力が加わったときに、モータロータ４０を構成する各部材の変形および破損を防止することができる。特に、図３に示すように、各ロータバー４４の半径方向外側に位置する、ロータコア４６のロータコアブリッジ４６ａは薄く、コアブリッジ４６ａは外側に変形しやすい。密閉カバー４２は、ロータバー４４およびコアブリッジ４６ａの半径方向外側への変形を防止することができる。さらに、ガラス繊維からなる密閉カバー４２には渦電流は発生しないので、密閉カバー４２は電動機７の性能を損なわない。

　図３に示す実施形態では、ロータコア４６は、各ロータバー４４の半径方向外側にロータコアブリッジ４６ａを有するクローズド型であるが、一実施形態では、ロータコア４６は、ロータコアブリッジ４６ａがないオープン型であってもよい。

　ガラス繊維の引張強さは、一般的なキャンドモータのロータキャン材として用いるステンレス鋼の引張強さよりも大きい。したがって、ガラス繊維からなる密閉カバー４２を薄くできる。結果として、電動機７の磁気ギャップを小さくすることができ、高いモータ性能を発揮できる。

　ガラス繊維からなる密閉カバー４２は、フィラメントワインディングという工法を用いて作成される。具体的には、ガラス繊維に引張力を与えながら、かつガラス繊維にエポキシ樹脂等の接着性を持った樹脂を塗りながら、ガラス繊維をモータロータ４０の外周面に巻きつける。このようなガラス繊維は、ガラス繊維強化プラスチックとも呼ばれる。この工法によれば、ガラス繊維からなる密閉カバー４２の気密性を高めることができる。

　一実施形態では、図２に示すように、ポンプ装置は、回転軸５の軸方向においてサイドリング４１の外側に配置されたバランスリング５１をさらに備えてもよい。バランスリング５１は、回転軸５の外周面に固定されている。バランスリング５１は、密閉カバー４２およびサイドリング４１に接触している。バランスリング５１は、密閉カバー４２と同じか、またはそれよりも大きい外径を有している。バランスリング５１は、フィラメントワインディング工法を用いて密閉カバー４２を作成するときに、ボビンとして機能する。さらに、バランスリング５１は、モータロータ４０の回転バランスを修正する目的にも使用される。バランスリング５１は、オーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性金属から構成されている。

　図４は、他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図４に示すように、本実施形態では、ロータ組立体２１は、バランスリング５１の外周面に固定された非磁性金属カバー５２をさらに備えている。非磁性金属カバー５２は、円筒形状を有しており、密閉カバー４２の外側に配置されている。非磁性金属カバー５２は、オーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性金属から構成されている。非磁性金属カバー５２は、溶接によりバランスリング５１に固定されている。

　本実施形態のロータ組立体２１は、モータロータ４０を密閉する二重密閉構造を有する。すなわち、密閉カバー４２およびサイドリング４１は、モータロータ４０が配置される第１密閉空間を形成し、非磁性金属カバー５２およびバランスリング５１は、密閉カバー４２、サイドリング４１、およびモータロータ４０が配置される第２密閉空間を形成する。本実施形態の二重密閉構造は、液化ガスがモータロータ４０に接触することを確実に防止することができる。

　ガラス繊維からなる密閉カバー４２は、モータロータ４０を密閉するのみならず、モータロータ４０の機械的強度を補強することができる。したがって、非磁性金属カバー５２はモータロータ４０を密閉するのに十分な厚さを有していればよく、非磁性金属カバー５２は密閉カバー４２よりも薄くてよい。例えば、非磁性金属カバー５２は、密閉カバー４２の１０分の１程度の厚さを有してもよい。

　図５は、さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図５に示すように、本実施形態のポンプ装置は、コイル２６の端部の半径方向内側に配置されたコイル保護カバー５５をさらに備えている。コイル保護カバー５５は、円筒形状を有している。コイル保護カバー５５は非金属材料から構成されている。コイル保護カバー５５を構成する非金属材料の具体例としては、セラミック、アラミド繊維が挙げられる。

　コイル２６は、液化ガスに接触する。液化ガスは電気絶縁性を有しているので、漏電のおそれはないが、高速で回転するロータ組立体２１によって生じる液化ガスの高速の流れはコイル２６に接触する。特に、コイル２６の導線同士を固定するワニスおよびコイル２６のエナメル層は、液化ガスに晒されて脆くなる。液化ガスの高速の流れは、ワニスおよびコイル２６のエナメル層を剥がし、コイル２６間の絶縁を破壊するおそれがある。

　本実施形態によれば、コイル保護カバー５５は、コイル２６の端部を液化ガスの高速の流れから保護し、ワニスおよびコイル２６のエナメル層の剥離を防止することができる。図５を参照して説明したコイル保護カバー５５は、図４を参照して説明した実施形態、および以下に説明する実施形態にも適用することが可能である。

　図６は、さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図であり、図７は、図６に示すロータ組立体２１の断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、サイドリング４１、密閉カバー４２、および非磁性金属カバー５２は設けられていない。バランスリング５１は、回転軸の軸方向においてエンドリング４５の外側に配置され、エンドリング４５に接触している。

　電動機７のロータ組立体２１は、エンドリング４５の外周面を囲む第１補強カバー５７と、複数のロータバー４４を囲む第２補強カバー５８を備えている。図７に示すように、複数のロータバー４４は、回転軸５の周方向に配列されている。第１補強カバー５７は、エンドリング４５の外周面に接触する円環形状を有している。第２補強カバー５８は、円筒形状を有しており、ロータコア４６の外周面に接触している。第２補強カバー５８は、モータロータ４０の半径方向において複数のロータバー４４の外側に配置されており、複数のロータバー４４およびロータコア４６の全体を囲んでいる。

　第１補強カバー５７および第２補強カバー５８は、非磁性材料から構成されている。本実施形態では、第１補強カバー５７および第２補強カバー５８は、ガラス繊維から構成されている。本実施形態の第１補強カバー５７および第２補強カバー５８は、一体的構造体を構成している。第１補強カバー５７は、第２補強カバー５８の両側に配置されている。ガラス繊維からなる第１補強カバー５７および第２補強カバー５８は、上述したフィラメントワインディング工法を用いて作成される。バランスリング５１は、フィラメントワインディング工法を用いて第１補強カバー５７および第２補強カバー５８を作成するときに、ボビンとして機能する。

　第１補強カバー５７の厚さＴ１は、第２補強カバー５８の厚さＴ２よりも大きい。図６に示す実施形態では、エンドリング４５の外径は、ロータコア４６の外径よりも小さい。すなわち、第１補強カバー５７の外径は、第２補強カバー５８の外径と同じであるが、第１補強カバー５７の内径は、第２補強カバー５８の内径よりも小さい。

　バランスリング５１は、回転軸５の軸方向において第１補強カバー５７の外側に位置しており、かつ第１補強カバー５７に接触している。したがって、バランスリング５１と、一体的な構造体である第１補強カバー５７および第２補強カバー５８は、モータロータ４０の全体を閉じ込める空間を形成し、液化ガスがモータロータ４０に接触することを防止することができる。

　第１補強カバー５７は、ロータコア４６の外側に配置されているエンドリング４５を補強するために設けられている。すなわち、第１補強カバー５７は、モータロータ４０が高速で回転するときにエンドリング４５に生じる遠心力に起因してエンドリング４５が半径方向外側へ変形することを防止することができる。

　第２補強カバー５８は、ロータコア４６およびロータバー４４を補強するために設けられている。すなわち、第２補強カバー５８は、モータロータ４０が高速で回転するときにロータコア４６およびロータバー４４に生じる遠心力に起因してロータコア４６およびロータバー４４が半径方向外側へ変形することを防止することができる。特に、図７に示すように、各ロータバー４４の半径方向外側に位置する、ロータコア４６のロータコアブリッジ４６ａは薄く、コアブリッジ４６ａは外側に変形しやすい。第２補強カバー５８は、ロータバー４４およびコアブリッジ４６ａの半径方向外側への変形を防止することができる。

　図７に示す実施形態では、ロータコア４６は、各ロータバー４４の半径方向外側にロータコアブリッジ４６ａを有するクローズド型であるが、一実施形態では、ロータコア４６は、ロータコアブリッジ４６ａがないオープン型であってもよい。

　ロータバー４４はロータコア４６内に配置されているのに対して、エンドリング４５はロータコア４６の外に配置されている。このため、エンドリング４５は、遠心力に起因して外側に変形しやすい。本実施形態によれば、第１補強カバー５７の厚さＴ１は、第２補強カバー５８の厚さＴ２よりも大きいので、第１補強カバー５７は、エンドリング４５の変形を防止することができる。加えて、エンドリング４５に接触するバランスリング５１は、エンドリング４５の軸方向外側への変形を防止することができる。したがって、本実施形態の構造は、エンドリング４５の径方向および軸方向の変形を防止することができる。

　第１補強カバー５７および第２補強カバー５８は、ロータバー４４およびエンドリング４５を含むモータロータ４０の変形を防止することができるので、高速で回転しているときのモータロータ４０の振動を防止し、軸受３１，３２（図１参照）の寿命低下を防止することができる。

　バランスリング５１は、エンドリング４５に接触しているので、エンドリング４５の熱を放出する機能も有する。すなわち、ロータバー４４およびエンドリング４５で発生した熱は、非磁性金属からなるバランスリング５１に伝達され、バランスリング５１から放出される。バランスリング５１は、液化ガスに接触しているので、熱はモータ室２４内の液化ガスに伝達される。本実施形態によれば、ロータバー４４およびエンドリング４５を含むモータロータ４０の過熱を防止することができる。

　図８は、さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図６および図７を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。電動機７のロータ組立体２１は、バランスリング５１の外周面に固定された非磁性金属カバー５２をさらに備えている。非磁性金属カバー５２は、円筒形状を有しており、第１補強カバー５７および第２補強カバー５８の外周面に接触している。

　非磁性金属カバー５２は、モータロータ４０の半径方向において第１補強カバー５７および第２補強カバー５８の外側に配置されており、第１補強カバー５７および第２補強カバー５８の全体を囲んでいる。非磁性金属カバー５２は、オーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性金属から構成されている。非磁性金属カバー５２は、溶接によりバランスリング５１に固定されている。

　非磁性金属カバー５２およびバランスリング５１は、第１補強カバー５７、第２補強カバー５８、およびモータロータ４０が配置される密閉空間を形成する。本実施形態の構造は、液化ガスがモータロータ４０に接触することを確実に防止することができる。したがって、図８を参照して説明した実施形態は、腐食性が高い液化ガス（液体アンモニア等）が使用される場合に適している。

　図９は、さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図６および図７を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、第２補強カバー５８は非磁性金属から構成されており、第２補強カバー５８はバランスリング５１に接続されている。

　第２補強カバー５８は、ロータバー４４およびエンドリング４５を含むモータロータ４０、および第１補強カバー５７を囲んでいる。第２補強カバー５８の軸方向の長さは、モータロータ４０の軸方向の長さよりも大きく、第２補強カバー５８の中央部は、ロータコア４６の外周面に接触している。第１補強カバー５７の外周面は、第２補強カバー５８の内周面に接触している。図６および図７を参照して説明した実施形態と同様に、第２補強カバー５８は、モータロータ４０が高速で回転するときにロータコア４６およびロータバー４４に生じる遠心力に起因してロータコア４６およびロータバー４４が半径方向外側へ変形することを防止することができる。

　第２補強カバー５８を構成する非磁性金属の例としては、ステンレス鋼（より具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼）が挙げられる。図９に示す実施形態では、第２補強カバー５８の両端は、バランスリング５１の外周面に固定されている。第２補強カバー５８は、バランスリング５１に溶接により固定されている。したがって、第２補強カバー５８およびバランスリング５１は、その内部に密閉空間を形成する。ロータバー４４およびエンドリング４５を含むモータロータ４０、および第１補強カバー５７は、第２補強カバー５８およびバランスリング５１によって形成された密閉空間内に配置されている。

　第１補強カバー５７は、図６に示す実施形態と同様に、ガラス繊維から構成されている。図６を参照して説明した実施形態と同様に、モータロータ４０が高速で回転するときにエンドリング４５に生じる遠心力に起因してエンドリング４５の半径方向外側への変形を防止することができる。

　本実施形態によれば、非磁性金属からなる第２補強カバー５８およびバランスリング５１は、液化ガスがモータロータ４０に接触することを確実に防止することができる。したがって、図９を参照して説明した実施形態は、腐食性が高い液化ガス（液体アンモニア等）が使用される場合に適している。

　図１０は、さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態の電動機７は、永久磁石７０を有するモータロータ４０を備えた永久磁石型同期電動機である。すなわち、図１０に示すように、ロータ組立体２１は、回転軸５の周方向に配列された複数の永久磁石７０と、これら永久磁石７０を保持するロータヨーク７１を有している。図１０では１つの永久磁石７０のみが描かれている。ロータヨーク７１は、積層された電磁鋼板、または強磁性金属から構成されている。

　サイドリング４１は、モータロータ４０の両側、すなわち永久磁石７０の両側に配置されている。サイドリング４１は、ガラス繊維から構成されている。ガラス繊維は、ロータヨーク７１を構成する材料に近い線膨張係数を有しているので、熱変形時に応力が生じにくい。永久磁石７０を含むモータロータ４０は、密閉カバー４２およびサイドリング４１によって形成される密閉空間内に配置される。したがって、液体水素などの液化ガスはモータロータ４０に接触することはない。特に、同期モータに使用される希土類磁石は、水素を吸蔵しやすく、水素に対して脆性を有する。本実施形態によれば、密閉カバー４２およびサイドリング４１は、モータロータ４０に使用される永久磁石７０を液体水素などの液化ガスから保護することができる。

　永久磁石７０の両側面には磁路が形成され、これら磁路はサイドリング４１中を通過する。ステータコア２７の周方向における断続性に伴い、ロータ組立体２１の回転中は回転磁界のリプルが生じる。結果として、永久磁石７０の両側での磁界の強さが周期的に変化する。本実施形態のサイドリング４１は、非金属であり、非磁性材であるガラス繊維から構成されているので、磁界の強さの周期的な変化は、サイドリング４１内に渦電流を生じさせない。

　図１１は、図４を参照して説明した非磁性金属カバー５２を、図１０を参照して説明した実施形態に適用した一実施形態を示す図である。図示しないが、図５を参照して説明したコイル保護カバー５５を、図１０を参照して説明した実施形態に適用してもよい。さらに、図４を参照して説明した非磁性金属カバー５２および図５を参照して説明したコイル保護カバー５５の両方を、図１０を参照して説明した実施形態に適用してもよい。

　図１２は、さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

　ロータ組立体２１は、モータロータ４０の両側に配置されたバランスリング５１と、バランスリング５１の外周面に固定された密閉カバー７２と、密閉カバー７２の外周面上に配置された円筒補強カバー７３を備えている。密閉カバー７２は、円筒形状を有している。密閉カバー７２は非磁性金属から構成されており、円筒補強カバー７３はガラス繊維から構成されている。密閉カバー７２およびバランスリング５１は、オーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性金属から構成されている。密閉カバー７２は、溶接によりバランスリング５１に固定されている。

　密閉カバー７２およびバランスリング５１は、ロータバー４４、エンドリング４５、およびロータコア４６を含むモータロータ４０が配置される密閉空間を形成する。したがって、電動機７のモータ室２４内に存在する液化ガスからモータロータ４０を保護することができる。円筒補強カバー７３は、モータロータ４０の半径方向外側に配置されている。ガラス繊維からなる円筒補強カバー７３は、モータロータ４０の機械的強度を補強することができる。したがって、超高速で回転するモータロータ４０に大きな遠心力が加わったときに、モータロータ４０を構成する各部材の変形および破損を防止することができる。

　本実施形態では、サイドリング４１は設けられていなく、エンドリング４５はバランスリング５１に接触している。図１２に示す実施形態では、円筒補強カバー７３の両端は、回転軸５の軸方向においてバランスリング５１よりも内側に位置している。言い換えれば、バランスリング５１の半径方向外側には円筒補強カバー７３は設けられていない。このような構成によれば、モータロータ４０で生じた熱は、金属からなるエンドリング４５、バランスリング５１、および密閉カバー７２を伝って放出される。

　放熱効果をより向上させるために、図１２に示す実施形態では、円筒補強カバー７３の両端は、回転軸５の軸方向においてエンドリング４５よりも内側に位置している。言い換えれば、バランスリング５１およびエンドリング４５の半径方向外側には円筒補強カバー７３は設けられていない。このような構成によれば、非磁性金属からなる密閉カバー７２の露出面積が増え、密閉カバー７２からの放熱が促進される。

　図１３は、図５を参照して説明したコイル保護カバー５５を、図１２を参照して説明した実施形態に適用した一実施形態を示す図である。

　図１４は、さらに他の実施形態に係るポンプ装置の一部を示す拡大断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１および図１３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態の電動機７は、永久磁石７０を有するモータロータ４０を備えた永久磁石型同期電動機である。すなわち、図１４に示すように、ロータ組立体２１は、回転軸５の周方向に配列された複数の永久磁石７０と、これら永久磁石７０を保持するロータヨーク７１を有している。図１４では１つの永久磁石７０のみが描かれている。ロータヨーク７１は、積層された電磁鋼板、または強磁性金属から構成されている。

　サイドリング４１は、モータロータ４０の両側、すなわち永久磁石７０の両側に配置されている。サイドリング４１は、ガラス繊維から構成されている。永久磁石７０の両側面には磁路が形成され、これら磁路はサイドリング４１中を通過する。ステータコア２７の周方向における断続性に伴い、回転磁界のリプルが生じ、永久磁石７０の両側での磁界の強さが周期的に変化する。本実施形態のサイドリング４１は、非金属であり、非磁性材であるガラス繊維から構成されているので、磁界の強さの周期的な変化は、サイドリング４１内に渦電流を生じさせない。

　円筒補強カバー７３の両端は、回転軸５の軸方向においてサイドリング４１よりも内側に位置している。言い換えれば、バランスリング５１およびサイドリング４１の半径方向外側には円筒補強カバー７３は設けられていない。このような構成によれば、非磁性金属からなる密閉カバー７２の露出面積が増え、密閉カバー７２からの放熱が促進される。

　図１５は、図５を参照して説明したコイル保護カバー５５を、図１４を参照して説明した実施形態に適用した一実施形態を示す図である。

　図１６は、ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１および図２を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図１６に示す実施形態のポンプ装置は、回転軸５内の戻り流路３７に代えて、モータハウジング２３および羽根車ケーシング１５の外側に配置された戻りライン７５を備えている。戻りライン７５の一端はモータハウジング２３に連結され、戻りライン７５の他端は羽根車ケーシング１５の吸込み側に連結されている。この羽根車ケーシング１５の吸込み側は、羽根車２と吸込み口１６との間に位置している。

　羽根車２の回転によって昇圧された液化ガスの一部は、液化ガス流路３５を通ってモータ室２４に導かれる。モータ室２４内の液化ガスは、ロータ組立体２１、モータステータ２２、および軸受３１，３２を冷却し、その後、戻りライン７５を通って、ポンプ１の低圧側に戻される。

　図１７は、ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図１７に示す実施形態のポンプ装置は、羽根車２と電動機７との間に配置された軸封装置８０を備えている。軸封装置８０の例としては、ラビリンスシール、メカニカルシールが挙げられる。図１７に示す実施形態では、軸封装置８０は、羽根車２の裏側、すなわち羽根車２と軸受３１との間に配置されている。一実施形態では、軸封装置８０は、軸受３１の裏側、すなわち軸受３１と電動機７との間に配置されてもよい。

　本実施形態では、図１に示す液化ガス流路３５は設けられていない。羽根車ケーシング１５内の液化ガスは、わずかに軸封装置８０を通過する。液化ガスが軸封装置８０を通過するとき、および／または通過した後、液化ガスは気化してボイルオフガスを形成する。したがって、モータハウジング２３内のモータ室２４はボイルオフガスで満たされ、電動機７のロータ組立体２１およびモータステータ２２はボイルオフガスに晒される。モータ室２４内のボイルオフガスは、ロータ組立体２１、モータステータ２２、および軸受３１，３２を冷却する。

　図１８は図１７に示す実施形態の変形例である。図１８に示すように、モータハウジング２３は、液化ガスが貯留される貯留タンク（図示せず）にボイルオフガス戻りライン８２を介して連結されてもよい。ボイルオフガス戻りライン８２の一端はモータハウジング２３に連結され、ボイルオフガス戻りライン８２の他端は貯留タンクの気相部に連結されている。モータ室２４内のボイルオフガスは、ロータ組立体２１、モータステータ２２、および軸受３１，３２を冷却した後、ボイルオフガス戻りライン８２を通じて貯留タンク（図示せず）内に戻される。

　図１９は、ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図１９に示す実施形態のポンプ装置は、ポンプ１、回転軸５、および電動機７を囲む吸込み容器９０と、ポンプ１の吐出し口（図示せず）に接続された液化ガス排出管９１をさらに備えている。

　吸込み容器９０は、その内部に液化ガスが導入される流体容器である。より具体的には、吸込み容器９０は、液化ガスが貯留される貯留タンク（図示せず）に連結された吸込みポート９４を有している。液化ガスは貯留タンクから吸込み容器９０に供給され、吸込みポート９４を通って吸込み容器９０内に導入される。ポンプ１および電動機７の全体は、吸込み容器９０内の液化ガスに浸漬される。

　液化ガス排出管９１は、ポンプ１の吐出し口（図示せず）から吸込み容器９０の外部まで延びている。吸込み容器９０内の液化ガスの一部は、電動機７から発せられた熱や、吸込み容器９０の外部からの入熱により、気化してボイルオフガスを形成する。吸込み容器９０は、その内部で発生したボイルオフガスを排出するためのボイルオフガス排出ポート９６を有している。ボイルオフガス排出ポート９６は、ボイルオフガス戻りライン８２に接続されている。ボイルオフガスは、吸込み容器９０からボイルオフガス排出ポート９６およびボイルオフガス戻りライン８２を通じて貯留タンク（図示せず）内に戻される。

　図４乃至図１５を参照して説明した実施形態を含む上記実施形態は、図１６乃至図１９を参照して説明した実施形態にも適用可能である。さらに、上述したすべての実施形態は、実施可能な限りにおいて適宜組み合わせてもよい。例えば、図１８に示す実施形態と、図１９に示す実施形態を組み合わせてもよい。

　上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

　本発明は、液体水素、液化天然ガスなどの極低温の液化ガスを移送するためのポンプ装置に利用可能であり、特に電動機をポンプの駆動源として有するポンプ装置に利用可能である。

　１　　　ポンプ
　２　　　羽根車
　２ａ　　液体入口
　５　　　回転軸
　７　　　電動機
１５　　　羽根車ケーシング
１６　　　吸込み口
２１　　　ロータ組立体
２２　　　モータステータ
２３　　　モータハウジング
２４　　　モータ室
２６　　　コイル
２７　　　ステータコア
３１，３２　　　軸受
３５　　　液化ガス流路
３７　　　戻り流路
４０　　　モータロータ
４１　　　サイドリング
４２　　　密閉カバー
４４　　　ロータバー
４５　　　エンドリング
４６　　　ロータコア
５１　　　バランスリング
５２　　　非磁性金属カバー
５５　　　コイル保護カバー
５７　　　第１補強カバー
５８　　　第２補強カバー
７０　　　永久磁石
７１　　　ロータヨーク
７２　　　密閉カバー
７３　　　円筒補強カバー
７５　　　戻りライン
８０　　　軸封装置
８２　　　ボイルオフガス戻りライン
９０　　　吸込み容器
９１　　　液化ガス排出管
９４　　　吸込みポート
９６　　　ボイルオフガス排出ポート

Claims

　液化ガス用のポンプ装置であって、
　羽根車を有するポンプと、
　前記羽根車が固定された回転軸と、
　前記回転軸および前記羽根車を回転させるための電動機を備え、
　前記電動機は、
　　前記回転軸と一体に回転可能なロータ組立体と、
　　前記ロータ組立体を囲むコイルおよびステータコアを有するモータステータを有し、
　前記ロータ組立体は、
　　前記回転軸に固定されたモータロータと、
　　前記モータロータの両側に配置されたサイドリングと、
　　前記サイドリングの外周面に固定された密閉カバーを備え、
　前記密閉カバーはガラス繊維から構成されている、ポンプ装置。
　前記サイドリングは、ガラス繊維から構成されている、請求項１に記載のポンプ装置。
　前記ポンプ装置は、
　　前記回転軸の軸方向において前記サイドリングの外側に配置されたバランスリングと、
　　前記バランスリングの外周面に固定された非磁性金属カバーをさらに備えており、
　前記非磁性金属カバーおよび前記バランスリングは、前記密閉カバー、前記サイドリング、および前記モータロータが配置される密閉空間を形成する、請求項１に記載のポンプ装置。
　前記ポンプ装置は、前記コイルの端部の半径方向内側に配置されたコイル保護カバーをさらに備えており、前記コイル保護カバーは非金属材料から構成されている、請求項１に記載のポンプ装置。
　液化ガス用のポンプ装置であって、
　羽根車を有するポンプと、
　前記羽根車が固定された回転軸と、
　前記回転軸および前記羽根車を回転させるための電動機を備え、
　前記電動機は、
　　前記回転軸と一体に回転可能なロータ組立体と、
　　前記ロータ組立体を囲むコイルおよびステータコアを有するモータステータを有し、
　前記ロータ組立体は、
　　前記回転軸に固定されたモータロータと、
　　前記モータロータの両側に配置されたバランスリングと、
　　前記バランスリングの外周面に固定された密閉カバーと、
　　前記密閉カバーの外周面上に配置された円筒補強カバーを備え、
　前記密閉カバーは非磁性金属から構成されており、
　前記円筒補強カバーはガラス繊維から構成されている、ポンプ装置。
　前記円筒補強カバーの両端は、前記回転軸の軸方向において前記バランスリングよりも内側に位置している、請求項５に記載のポンプ装置。
　前記モータロータは、前記回転軸の周方向に配列された複数のロータバーと、前記複数のロータバーの両端に固定されたエンドリングを備えており、
　前記円筒補強カバーの両端は、前記回転軸の軸方向において前記エンドリングよりも内側に位置している、請求項６に記載のポンプ装置。
　前記ポンプ装置は、前記モータロータの両側に配置されたサイドリングをさらに備えており、
　前記モータロータは、前記回転軸の周方向に配列された複数の永久磁石を有し、
　前記サイドリングは、非金属材料から構成されている、請求項５に記載のポンプ装置。
　前記サイドリングは、ガラス繊維から構成されている、請求項８に記載のポンプ装置。
　前記ポンプ装置は、前記コイルの端部の半径方向内側に配置されたコイル保護カバーをさらに備えており、前記コイル保護カバーは非金属材料から構成されている、請求項５に記載のポンプ装置。
　液化ガス用のポンプ装置であって、
　羽根車を有するポンプと、
　前記羽根車が固定された回転軸と、
　前記回転軸および前記羽根車を回転させるための誘導電動機を備え、
　前記誘導電動機は、
　　前記回転軸と一体に回転可能なロータ組立体と、
　　前記ロータ組立体を囲むコイルおよびステータコアを有するモータステータを有し、
　前記ロータ組立体は、
　　前記回転軸の周方向に配列された複数のロータバー、および前記複数のロータバーの両端に接続されたエンドリングを有するモータロータと、
　　前記エンドリングに接触するバランスリングと、
　　前記エンドリングの外周面を囲む第１補強カバーと、
　　前記複数のロータバーを囲む第２補強カバーを備えている、ポンプ装置。
　前記第１補強カバーはガラス繊維から構成されている、請求項１１に記載のポンプ装置。
　前記第２補強カバーはガラス繊維から構成されている、請求項１１に記載のポンプ装置。
　前記第１補強カバーの厚さは、前記第２補強カバーの厚さよりも大きい、請求項１１に記載のポンプ装置。
　前記第２補強カバーは非磁性金属から構成されており、前記第２補強カバーは前記バランスリングに固定されている、請求項１１に記載のポンプ装置。