WO2025220613A1 - 往復動ポンプ - Google Patents

往復動ポンプ

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WO2025220613A1
WO2025220613A1 PCT/JP2025/014516 JP2025014516W WO2025220613A1 WO 2025220613 A1 WO2025220613 A1 WO 2025220613A1 JP 2025014516 W JP2025014516 W JP 2025014516W WO 2025220613 A1 WO2025220613 A1 WO 2025220613A1
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WO
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fluid
reciprocating pump
passage
check valve
chamber
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PCT/JP2025/014516
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English (en)
French (fr)
Inventor
俊 西村
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Ebara Corp
Original Assignee
Ebara Corp
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B15/00—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04B15/06—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure
    • F04B15/08—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure the liquids having low boiling points
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves

Definitions

  • the present invention relates to reciprocating pumps such as plunger pumps and piston pumps, and in particular to reciprocating pumps suitable for transporting liquefied gases.
  • a reciprocating pump is configured to draw fluid into a cylinder by reciprocating a piston located inside the cylinder, pressurize the fluid, and expel it from the cylinder.
  • Such reciprocating pumps are sometimes used to transport liquefied gases such as liquefied hydrogen, liquefied natural gas, liquefied ammonia, liquid nitrogen, liquefied ethylene gas, and liquefied petroleum gas.
  • Figure 22 is a schematic diagram showing a cross section of a conventional reciprocating pump.
  • the reciprocating pump has a cylinder 500 and a piston 501 that is movably disposed within the cylinder 500.
  • the piston 501 is connected to an actuator (not shown).
  • a seal 503 is disposed between the inner surface of the cylinder 500 and the outer surface of the piston 501.
  • Check valves 514 and 515 are connected to the suction port 510 and discharge port 511 of the cylinder 500, respectively.
  • the high-enthalpy fluid can leak to the suction side (primary side) of check valve 514 through tiny gaps in check valve 514. If the fluid is liquefied gas, the high-enthalpy liquefied gas that leaks to the suction side of check valve 514 will gasify as the pressure drops. The gas present on the suction side of check valve 514 inhibits the suction of liquefied gas into cylinder 500 and the compression of liquefied gas within cylinder 500, reducing the performance of the reciprocating pump.
  • the present invention therefore provides a reciprocating pump that can prevent high-enthalpy fluid pressurized by the piston from leaking to the suction side.
  • a reciprocating pump for transporting a fluid comprising: a cylinder having a pressurizing chamber therein; a piston disposed within the cylinder; and a suction check valve communicating with the pressurizing chamber, the suction check valve comprising a valve body, a first sealing surface in contact with the rear side of the valve body, a second sealing surface surrounded by the first sealing surface, a suction flow path surrounded by the second sealing surface, and a fluid relief flow path having a fluid inlet surrounding the second sealing surface, the fluid inlet being located between the first sealing surface and the second sealing surface, and the fluid relief flow path having a fluid outlet communicating with the outside of the reciprocating pump.
  • the fluid relief channel includes a descending channel extending downwardly from the fluid inlet. In one aspect, the fluid relief channel further includes an ascending channel extending obliquely upward from the descending channel to the fluid outlet. In one aspect, the fluid inlet has a circular ring shape. In one aspect, the fluid escape passage includes a descending passage located radially inward from the fluid inlet, and a connecting passage that connects the fluid inlet and the descending passage, and the descending passage extends to the fluid outlet. In one aspect, the fluid relief passage further includes a fluid chamber connected to an upper end of the descending passage, and the communication passage extends from the fluid inlet to the fluid chamber.
  • the communication channel is connected to the side wall of the fluid chamber in a direction inclined with respect to the radial direction of the fluid chamber when viewed from above.
  • a spiral groove is formed in the side wall of the fluid chamber.
  • the suction check valve further includes a spiral stationary vane provided on a side wall of the fluid chamber.
  • the suction check valve further comprises a rotor disposed within the fluid chamber.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of a fluid transfer system including a reciprocating pump.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a reciprocating pump.
  • 10A and 10B are diagrams illustrating the operation of the piston when the liquefied gas in the pressurizing chamber is pressurized.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of an embodiment of an intake check valve.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the suction check valve.
  • FIG. 10 is a top axial view of the first sealing surface, the second sealing surface, and the fluid inlet of the fluid relief channel.
  • 10A and 10B show another embodiment of a fluid relief channel.
  • 10A and 10B show yet another embodiment of a fluid relief channel.
  • FIG. 10A and 10B show yet another embodiment of a fluid relief channel.
  • 10A and 10B show yet another embodiment of a fluid relief channel.
  • 10A and 10B show yet another embodiment of a fluid relief channel.
  • FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing another embodiment of the suction check valve.
  • FIG. 2 is a plan view of the valve body as seen from above.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing the suction check valve in an open state.
  • FIG. 10 is a top axial view of the first sealing surface, the second sealing surface, and the fluid inlet of the fluid relief channel.
  • FIG. 10 is a top view showing another embodiment of a plurality of communication channels.
  • FIG. 10 shows an embodiment in which a spiral groove is formed in the side wall of the fluid chamber.
  • FIG. 10 shows an embodiment in which a spiral groove is formed in the side wall of the fluid chamber.
  • FIG. 10 shows an embodiment in which stationary vanes are provided on the side walls of the fluid chamber.
  • FIG. 19 is a top view of the stationary wing shown in FIG. 18.
  • FIG. 1 illustrates one embodiment of a rotor positioned within a fluid chamber.
  • FIG. 21 is a top view of the rotor shown in FIG. 20.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a conventional reciprocating pump.
  • a reciprocating pump is a positive displacement pump for pressurizing and transferring fluids.
  • the reciprocating pump of the embodiments described below is suitable for transferring liquefied gases such as liquefied hydrogen, liquefied natural gas, liquefied ammonia, liquid nitrogen, liquefied ethylene gas, and liquefied petroleum gas.
  • liquefied gases are used as the fluid.
  • Figure 1 is a schematic diagram showing one embodiment of a fluid transfer system equipped with a reciprocating pump.
  • the fluid transfer system includes a storage tank 1 that stores liquefied gas as a fluid, a reciprocating pump 2 disposed within the storage tank 1, and an actuator 5 that drives the reciprocating pump 2.
  • the liquefied gas is sent into the storage tank 1 through a fluid inlet port 7 of the storage tank 1 and is stored within the storage tank 1.
  • storage tank 1 Although the liquefied gas in storage tank 1 is in a liquid state, a small amount of heat from the surrounding atmosphere is transferred to the liquefied gas through the walls of storage tank 1. As a result, part of the liquefied gas is gasified to form boil-off gas (BOG). Therefore, storage tank 1 is equipped with a boil-off gas discharge port 8 for discharging boil-off gas. The boil-off gas in storage tank 1 is discharged from storage tank 1 through boil-off gas discharge port 8.
  • BOG boil-off gas
  • the piston rod 10 of the reciprocating pump 2 is connected to the actuator 5 via a coupling device 12.
  • the actuator 5 is fixed to the storage tank 1 via a bracket 9.
  • Examples of the actuator 5 include a hydraulic cylinder, a linear motor, or a combination of a crank mechanism and an electric motor.
  • the liquefied gas inlet of the reciprocating pump 2 is located lower than the liquid level in the storage tank 1, although this is not shown in Figure 1.
  • the actuator 5 drives the reciprocating pump 2
  • the reciprocating pump 2 sucks in the liquefied gas in the storage tank 1, pressurizes it, and discharges it into the liquefied gas discharge line 13.
  • the pressurized liquefied gas is transported outside the storage tank 1 through the liquefied gas discharge line 13.
  • FIG 2 is a cross-sectional view showing one embodiment of a reciprocating pump 2.
  • the reciprocating pump 2 of this embodiment is a positive displacement pump for transferring liquefied gas.
  • the reciprocating pump 2 includes a cylinder 16 having a pressure chamber 14 therein, a piston 18 disposed within the cylinder 16, and a plurality of seal rings 22 disposed in the gap between the inner surface 16a of the cylinder 16 and the outer surface of the piston 18.
  • the piston 18 is connected to a piston rod 10, which is connected to the actuator 5 shown in Figure 1.
  • the piston 18 is driven by the actuator 5 to reciprocate within the cylinder 16.
  • the piston 18 may be configured integrally with the piston rod 10.
  • the multiple seal rings 22 are arranged along the axial direction of the piston 18.
  • "axial direction” refers to the direction of the central axis of the piston 18 or the direction of movement of the piston 18.
  • the number of multiple seal rings 22 is not limited to the embodiment shown in Figure 2.
  • the multiple seal rings 22 are held by the piston 18 and move back and forth together with the piston 18. Therefore, the multiple seal rings 22 are movable seals.
  • the multiple seal rings 22 are made of resin that has a certain degree of elasticity at extremely low temperatures where liquefied gas can maintain its liquid state.
  • the piston 18 and cylinder 16 are made of metal.
  • the pressurizing chamber 14 is formed by the end surface 18a of the piston 18 and the inner surface 16a of the cylinder 16.
  • the reciprocating pump 2 has a suction check valve 26 and a discharge check valve 27 that communicate with the pressurizing chamber 14.
  • the suction check valve 26 is provided at the bottom of the cylinder 16, and the discharge check valve 27 is provided on the side wall of the cylinder 16.
  • the positions of the suction check valve 26 and the discharge check valve 27 are not particularly limited.
  • the suction check valve 26 may be provided on the side wall of the cylinder 16, and the discharge check valve 27 may be provided at the bottom of the cylinder 16.
  • the suction check valve 26 is configured to allow the liquefied gas in the storage tank 1 to flow into the pressurized chamber 14 in the cylinder 16, but not allow the liquefied gas to flow in the reverse direction.
  • the discharge check valve 27 is configured to allow the liquefied gas to flow out of the pressurized chamber 14, but not allow the liquefied gas to flow in the reverse direction.
  • the outlet of the discharge check valve 27 is connected to the liquefied gas discharge line 13.
  • the suction check valve 26 and the discharge check valve 27 are shown schematically.
  • FIG 4 is an enlarged cross-sectional view showing one embodiment of the suction check valve 26, and Figure 5 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the suction check valve 26.
  • the discharge check valve 27 is depicted schematically.
  • the suction check valve 26 has a valve body 31 and a valve seat 32 that supports the back side (suction side) of the valve body 31.
  • the valve seat 32 has a first seal surface 35 that contacts the back side of the valve body 31, a second seal surface 36 surrounded by the first seal surface 35, and a suction flow path 37 surrounded by the second seal surface 36.
  • the valve element 31 is connected to the valve rod 40, which is supported by a valve guide 41 fixed to the valve seat 32 so that it can move up and down.
  • the valve element 31 may be formed integrally with the valve rod 40.
  • a spring stopper 43 is fixed to the valve rod 40.
  • a spring 44 is arranged between the valve guide 41 and the spring stopper 43. This spring 44 presses the valve element 31 toward the first seal surface 35 and the second seal surface 36.
  • the valve guide 41, spring stopper 43, and spring 44 are arranged in the suction flow path 37.
  • the valve disc 31 is pressed against the first seal surface 35 by the spring 44 and comes into contact with the first seal surface 35. Meanwhile, a small gap is formed between the valve disc 31 and the second seal surface 36. In other words, when the back side of the valve disc 31 is in contact with the first seal surface 35, a small gap exists between the back side of the valve disc 31 and the second seal surface 36.
  • the gap between the back side of the valve disc 31 and the second seal surface 36 is provided to prevent the valve disc 31 from coming into contact with the second seal surface 36 before the first seal surface 35 when the valve disc 31 is deformed by high-pressure liquefied gas, and to ensure that the valve disc 31 comes into contact with the first seal surface 35.
  • high-pressure liquefied gas pressurized by the piston 18 in the pressurizing chamber 14 can enter between the valve body 31 and the first seal surface 35.
  • high-pressure liquefied gas reaches the suction flow path 37, it vaporizes within the suction flow path 37, causing a decrease in the pumping performance of the reciprocating pump 2.
  • the suction check valve 26 is provided with a fluid relief passage 50 that allows liquefied gas that has entered between the valve body 31 and the first seal surface 35 to escape to the outside of the reciprocating pump 2.
  • the fluid relief passage 50 has a fluid inlet 51 located between the first seal surface 35 and the second seal surface 36.
  • the fluid relief passage 50 is connected to the outside of the reciprocating pump 2.
  • the fluid relief passage 50 has a fluid outlet 52 located on the side of the valve seat 32 of the suction check valve 26.
  • Figure 6 is a top view of the first seal surface 35, the second seal surface 36, and the fluid inlet 51 of the fluid relief passage 50 as viewed from the axial direction.
  • the fluid inlet 51 surrounds the second seal surface 36.
  • the first seal surface 35, the second seal surface 36, and the fluid inlet 51 are each annular.
  • the fluid inlet 51 of the fluid relief passage 50 is located radially inward of the first seal surface 35, the second seal surface 36 is located radially inward of the fluid inlet 51, and the suction passage 37 is located radially inward of the second seal surface 36.
  • the fluid relief flow path 50 includes a downward flow path 54 extending downward from the fluid inlet 51.
  • the downward flow path 54 has a cylindrical shape.
  • the downward flow path 54 encourages the high-pressure liquefied gas to flow downward due to gravity, preventing the liquefied gas from flowing back.
  • the piston 18 pushes the liquefied gas into the downward flow path 54, forcing it to move downward.
  • the fluid relief flow path 50 further includes a plurality of discharge flow paths 55 extending horizontally from the cylindrical downward flow path 54. These discharge flow paths 55 extend to the fluid outlet 52.
  • the downward flow path 54 may have a truncated cone shape.
  • the entire fluid escape channel 50 may be formed from a frusto-conical descending channel 54.
  • the descending channel 54 extends diagonally downward from the fluid inlet 51 to the fluid outlet 52.
  • the entire fluid relief passage 50 may be formed from a cylindrical downward passage 54.
  • the downward passage 54 extends vertically downward from the fluid inlet 51 to the fluid outlet 52.
  • the fluid outlet 52 is provided on the bottom surface of the valve seat 32.
  • the fluid escape flow path 50 includes a cylindrical downward flow path 54 extending downward from the fluid inlet 51, and multiple discharge flow paths 55 extending diagonally upward from the downward flow path 54. At least a portion of the high-pressure liquefied gas may evaporate and become gas as it flows through the low-pressure discharge flow path 55. The buoyancy of this gas assists the liquefied gas in the multiple discharge flow paths 55 to move toward the fluid outlet 52.
  • the truncated cone-shaped downward flow passage 54 shown in Figure 7 may be combined with multiple discharge flow passages 55 extending diagonally upward as shown in Figure 10.
  • Figure 12 is a cross-sectional view showing another embodiment of the suction check valve 26.
  • the configuration and operation of this embodiment, which are not specifically described, are the same as those of the embodiment described with reference to Figures 1 to 6, and therefore redundant description will be omitted.
  • valve disc 31 is not connected to the valve rod 40.
  • the valve disc 31 is supported on the inner surface 16a of the cylinder 16 so that it can move up and down.
  • a spring 60 is arranged radially outward from the valve disc 31.
  • the spring 60 is arranged between the upper wall 31a of the valve disc 31 and the valve seat 32.
  • the spring 60 pushes the valve disc 31 in a direction away from the first seal surface 35 and the second seal surface 36.
  • the piston 18 pressurizes the liquefied gas in the pressurized chamber 14
  • the pressure of the liquefied gas closes the valve disc 31 (i.e., the back side of the valve disc 31 comes into contact with the first seal surface 35).
  • a plurality of suction flow paths 37 are provided below the valve disc 31.
  • the fluid relief passage 50 includes a downward passage 54 located radially inward from the fluid inlet 51, and multiple communicating passages 63 that connect the fluid inlet 51 and the downward passage 54.
  • the downward passage 54 extends vertically downward to the fluid outlet 52.
  • the fluid relief passage 50 further includes a fluid chamber 64 connected to the upper end of the downward passage 54.
  • the fluid chamber 64 is located below the center of the valve body 31.
  • the fluid chamber 64 is located radially inward from the second seal surface 36 and the fluid inlet 51.
  • the fluid chamber 64 has a truncated conical or cylindrical shape.
  • Figure 13 is a plan view of the valve body 31 viewed from above.
  • the upper wall 31a of the valve body 31 has multiple openings 65.
  • When the suction check valve 26 is open i.e., when the valve body 31 is away from the first sealing surface 35
  • liquefied gas flows from the suction flow path 37 into the pressurized chamber 14 through the openings 65 in the valve body 31.
  • the number and shape of the openings 65 in the valve body 31 are not limited to the embodiment shown in Figure 13.
  • Figure 14 is a diagram showing the state when the suction check valve 26 is open.
  • Figure 15 is a top view of the first seal surface 35, the second seal surface 36, and the fluid inlet 51 of the fluid escape passage 50 as viewed from the axial direction.
  • the first seal surface 35, the second seal surface 36, and the fluid inlet 51 are each annular.
  • the fluid inlet 51 is located radially inward of the first seal surface 35, the second seal surface 36 is located radially inward of the fluid inlet 51, and the multiple suction passages 37 are surrounded by the second seal surface 36.
  • the descending flow passage 54 is adjacent to a plurality of suction flow passages 37. More specifically, the plurality of suction flow passages 37 are arranged around the descending flow passage 54.
  • the plurality of communicating flow passages 63 are a plurality of grooves formed in the second sealing surface 36.
  • the plurality of communicating flow passages 63 extend from the fluid inlet 51 to the fluid chamber 64.
  • the fluid inlet 51 is connected to the descending flow passage 54 through the plurality of communicating flow passages 63 and the fluid chamber 64.
  • three suction flow passages 37 and three communicating flow passages 63 are provided, but the number of suction flow passages 37 and the number of communicating flow passages 63 are not limited to this embodiment.
  • a single suction flow passage 37 and a single communicating flow passage 63 may be provided.
  • High-pressure liquefied gas (high-enthalpy fluid) that flows into the fluid inlet 51 flows through multiple communicating flow paths 63 into the fluid chamber 64.
  • the liquefied gas in the fluid chamber 64 is forced into the downward flow path 54 by the piston 18 and discharged from the fluid outlet 52 to the outside of the reciprocating pump 2.
  • FIG 16 is a top view showing another embodiment of the multiple communicating channels 63.
  • each communicating channel 63 is connected to the side wall of the fluid chamber 64 at an angle relative to the radial direction of the fluid chamber 64.
  • the multiple communicating channels 63 extend in the tangential direction of the side wall of the fluid chamber 64, which has a truncated cone or cylindrical shape.
  • the liquefied gas that passes through these multiple communicating channels 63 forms a swirling flow within the fluid chamber 64, making it easier for the liquefied gas to flow into the descending channel 54 connected to the center of the bottom of the fluid chamber 64.
  • a spiral groove 67 may be formed in the side wall of the fluid chamber 64 to maintain a swirling flow of the liquefied gas within the fluid chamber 64.
  • a spiral stationary blade 68 may be provided in the side wall of the fluid chamber 64 to maintain a swirling flow of the liquefied gas within the fluid chamber 64.
  • a rotor 69 may be disposed within the fluid chamber 64 so as to maintain a swirling flow of the liquefied gas within the fluid chamber 64.
  • the rotor 69 is configured to be rotatable within the fluid chamber 64.
  • the rotor 69 is rotatably supported by a support shaft 70, which is fixed to the bottom of the valve body 31.
  • the rotor 69 and support shaft 70 move integrally with the valve body 31.
  • the present invention can be used for reciprocating pumps such as plunger pumps and piston pumps, and is particularly applicable to reciprocating pumps suitable for transporting liquefied gases.

Landscapes

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Abstract

往復動ポンプ（２）は、加圧室（１４）を内部に有するシリンダ（１６）と、シリンダ（１６）内に配置されたピストン（１８）と、加圧室（１４）に連通する吸込み逆止弁（２６）を備える。吸込み逆止弁（２６）は、弁体（３１）と、弁体（３１）の裏側に接触する第１シール面（３５）と、第１シール面（３５）に囲まれた第２シール面（３６）と、第２シール面（３６）に囲まれた吸込み流路（３７）と、第２シール面（３６）を囲む流体入口（５１）を有する流体逃し流路（５０）を備える。流体入口（５１）は、第１シール面（３５）と第２シール面（３６）との間に位置しており、流体逃し流路（５０）は、往復動ポンプ（２）の外部に連通する流体出口（５２）を有する。

Description

往復動ポンプ
　本発明は、プランジャポンプやピストンポンプなどの往復動ポンプに関し、特に液化ガスを移送する用途に適した往復動ポンプに関する。
　往復動ポンプは、シリンダ内に配置されたピストンを往復移動させることで流体をシリンダ内に吸込み、流体を加圧してシリンダから吐き出すように構成される。このような往復動ポンプは、液体水素、液化天然ガス、液化アンモニア、液体窒素、液化エチレンガス、液化石油ガスなどの液化ガスを移送する用途に使用されることがある。
　図２２は、従来の往復動ポンプの断面を示す模式図である。図２２に示すように、往復動ポンプは、シリンダ５００と、シリンダ５００内に移動可能に配置されたピストン５０１を有している。ピストン５０１は、図示しないアクチュエータに連結されている。シリンダ５００の内面とピストン５０１の外面との間にはシール５０３が配置されている。シリンダ５００の吸込み口５１０および吐出し口５１１には、それぞれ逆止弁５１４，５１５が連結されている。
　アクチュエータがピストン５０１を軸方向に往復移動させると、流体は逆止弁５１４および吸込み口５１０を通ってシリンダ５００内に流入し、ピストン５０１によって加圧され、そしてシリンダ５００から吐出し口５１１および逆止弁５１５を通って排出される。
特開２０２３－１７７４９９号公報
　ピストン５０１がシリンダ５００内の流体を加圧したとき、高エンタルピーの流体は逆止弁５１４の微小な隙間を通じて逆止弁５１４の吸込み側（一次側）に漏洩することがある。流体が液化ガスの場合、逆止弁５１４の吸込み側に漏洩した高エンタルピーの液化ガスは、圧力の低下に伴ってガス化する。逆止弁５１４の吸込み側に存在する気体は、シリンダ５００内への液化ガスの吸込み、およびシリンダ５００内での液化ガスの圧縮を阻害し、往復動ポンプの性能を低下させてしまう。
　そこで、本発明は、ピストンによって加圧された高エンタルピーの流体が吸込み側に漏洩することを防止することができる往復動ポンプを提供する。
　一態様では、流体を移送するための往復動ポンプであって、加圧室を内部に有するシリンダと、前記シリンダ内に配置されたピストンと、前記加圧室に連通する吸込み逆止弁を備え、前記吸込み逆止弁は、弁体と、前記弁体の裏側に接触する第１シール面と、前記第１シール面に囲まれた第２シール面と、前記第２シール面に囲まれた吸込み流路と、前記第２シール面を囲む流体入口を有する流体逃し流路を備え、前記流体入口は、前記第１シール面と前記第２シール面との間に位置しており、前記流体逃し流路は、前記往復動ポンプの外部に連通する流体出口を有する、往復動ポンプが提供される。
　一態様では、前記流体逃し流路は、前記流体入口から下方に延びる下降流路を含む。
　一態様では、前記流体逃し流路は、前記下降流路から前記流体出口まで斜め上方に延びる上昇流路をさらに含む。
　一態様では、前記流体入口は、円環形状を有する。
　一態様では、前記流体逃し流路は、前記流体入口よりも径方向内側に位置する下降流路と、前記流体入口と前記下降流路とを連通する連通流路を含み、前記下降流路は前記流体出口まで延びている。
　一態様では、前記流体逃し流路は、前記下降流路の上端に接続された流体室をさらに備え、前記連通流路は、前記流体入口から前記流体室まで延びている。
　一態様では、前記連通流路は、上から見たときに、前記流体室の径方向に対して傾斜した方向で前記流体室の側壁に接続されている。
　一態様では、前記流体室の側壁には、螺旋溝が形成されている。
　一態様では、前記吸込み逆止弁は、前記流体室の側壁に設けられた螺旋状の静止翼をさらに備えている。
　一態様では、前記吸込み逆止弁は、前記流体室内に配置された回転翼をさらに備えている。
　吸込み逆止弁が閉じられているときに弁体と第１シール面との間に進入した高エンタルピーの流体は、第２シール面に到達する前に、流体入口内に流入し、流体逃し流路を通って往復動ポンプの外部に排出される。したがって、高エンタルピーの流体が吸込み流路に流入することが防止される。
往復動ポンプを備えた流体移送システムの一実施形態を示す模式図である。 往復動ポンプの一実施形態を示す断面図である。 加圧室内の液化ガスを加圧しているときのピストンの動作を説明する図である。 吸込み逆止弁の一実施形態を示す拡大断面図である。 吸込み逆止弁の一部の拡大断面図である。 第１シール面、第２シール面、および流体逃し流路の流体入口を軸方向から見た上面図である。 流体逃し流路の他の実施形態を示す図である。 流体逃し流路のさらに他の実施形態を示す図である。 流体逃し流路のさらに他の実施形態を示す図である。 流体逃し流路のさらに他の実施形態を示す図である。 流体逃し流路のさらに他の実施形態を示す図である。 吸込み逆止弁の他の実施形態を示す拡大断面図である。 弁体を上方から見た平面図である。 吸込み逆止弁が開いた状態を示す拡大断面図である。 第１シール面、第２シール面、および流体逃し流路の流体入口を軸方向から見た上面図である。 複数の連通流路の他の実施形態を示す上面図である。 流体室の側壁に螺旋溝が形成された一実施形態を示す図である。 流体室の側壁に静止翼が設けられた一実施形態を示す図である。 図１８に示す静止翼の上面図である。 流体室内に配置された回転翼の一実施形態を示す図である。 図２０に示す回転翼の上面図である。 従来の往復動ポンプの断面を示す模式図である。
　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。往復動ポンプは、流体を加圧して移送するための容積式ポンプである。特に、以下に説明する実施形態の往復動ポンプは、液体水素、液化天然ガス、液化アンモニア、液体窒素、液化エチレンガス、液化石油ガスなどの液化ガスを移送する用途に適している。以下に説明する実施形態では、流体として液化ガスが使用されている。
　図１は、往復動ポンプを備えた流体移送システムの一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、流体移送システムは、流体としての液化ガスを貯留する貯留タンク１と、貯留タンク１内に配置された往復動ポンプ２と、往復動ポンプ２を駆動するアクチュエータ５を備えている。液化ガスは、貯留タンク１の流体入口ポート７を通じて、貯留タンク１内に送られ、貯留タンク１内に貯留される。
　貯留タンク１内の液化ガスは液状であるが、周囲雰囲気の熱はわずかに貯留タンク１の壁を通じて液化ガスに伝わる。その結果、液化ガスの一部はガス化して、ボイルオフガス（ＢＯＧ）を形成する。そこで、貯留タンク１は、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８を備えている。貯留タンク１内のボイルオフガスは、ボイルオフガス排出ポート８を通じて貯留タンク１から排出される。
　往復動ポンプ２のピストンロッド１０は、継手装置１２を介してアクチュエータ５に連結されている。アクチュエータ５は、ブラケット９を介して貯留タンク１に固定されている。アクチュエータ５の例としては、油圧シリンダ、リニアモータ、クランク機構と電動機との組み合わせが挙げられる。往復動ポンプ２の液化ガスの吸込み口は、図１には描かれていないが、貯留タンク１の液面よりも低い位置にある。アクチュエータ５が往復動ポンプ２を駆動すると、往復動ポンプ２は、貯留タンク１内の液化ガスを吸込み、加圧し、そして液化ガス排出ライン１３に吐き出す。加圧された液化ガスは液化ガス排出ライン１３を通って貯留タンク１の外部に移送される。
　図２は、往復動ポンプ２の一実施形態を示す断面図である。本実施形態の往復動ポンプ２は、液化ガスを移送するための容積式ポンプである。図２に示すように、往復動ポンプ２は、加圧室１４を内部に有するシリンダ１６と、シリンダ１６内に配置されたピストン１８と、シリンダ１６の内面１６ａとピストン１８の外面との隙間に配置された複数のシールリング２２を備えている。ピストン１８はピストンロッド１０に連結されており、ピストンロッド１０は図１に示すアクチュエータ５に連結されている。ピストン１８は、アクチュエータ５により駆動されて、シリンダ１６内で往復移動する。一実施形態では、ピストン１８はピストンロッド１０と一体に構成されてもよい。
　複数のシールリング２２は、ピストン１８の軸方向に沿って配列されている。本明細書において「軸方向」とは、ピストン１８の中心軸線方向またはピストン１８の移動方向をいう。複数のシールリング２２の数は、図２に示す実施形態に限られない。複数のシールリング２２は、ピストン１８に保持されており、ピストン１８とともに往復移動する。したがって、複数のシールリング２２は可動シールである。複数のシールリング２２は、液化ガスが液体状態を維持できる極低温下において、ある程度の弾性を有する樹脂から構成されている。ピストン１８およびシリンダ１６は金属から構成されている。
　加圧室１４は、ピストン１８の端面１８ａとシリンダ１６の内面１６ａとにより形成されている。往復動ポンプ２は、加圧室１４に連通する吸込み逆止弁２６および吐出し逆止弁２７を有している。本実施形態では、吸込み逆止弁２６はシリンダ１６の底部に設けられ、吐出し逆止弁２７はシリンダ１６の側壁に設けられている。ただし、加圧室１４に連通している限りにおいて、吸込み逆止弁２６および吐出し逆止弁２７の位置は特に限定されない。例えば、吸込み逆止弁２６はシリンダ１６の側壁に設けられ、吐出し逆止弁２７はシリンダ１６の底部に設けられてもよい。
　吸込み逆止弁２６は、貯留タンク１内の液化ガスがシリンダ１６内の加圧室１４に流れることを許容し、液化ガスの逆方向の流れを許容しないように構成されている。吐出し逆止弁２７は、液化ガスが加圧室１４から流出することを許容し、液化ガスの逆方向の流れを許容しないように構成されている。吐出し逆止弁２７の出口は、液化ガス排出ライン１３に連結されている。図２では、吸込み逆止弁２６および吐出し逆止弁２７は模式的に描かれている。
　次に、往復動ポンプ２の動作について説明する。図２の白い矢印で示すように、ピストン１８が吸込み逆止弁２６および吐出し逆止弁２７から離れる方向に（上死点に向かって）移動すると、液化ガスは吸込み逆止弁２６を通って加圧室１４内に流入する。このとき、吐出し逆止弁２７は閉じられている。次に、図３の白い矢印で示すように、ピストン１８が吸込み逆止弁２６および吐出し逆止弁２７に向かって（下死点に向かって）移動すると、液化ガスは加圧室１４内で加圧されながら、吐出し逆止弁２７を通って加圧室１４から排出される。このとき、吸込み逆止弁２６は閉じられている。このようなピストン１８の往復動により、液化ガスは加圧され、移送される。
　次に、吸込み逆止弁２６について詳細に説明する。図４は、吸込み逆止弁２６の一実施形態を示す拡大断面図であり、図５は、吸込み逆止弁２６の一部の拡大断面図である。図４では、吐出し逆止弁２７は模式的に描画されている。吸込み逆止弁２６は、弁体３１と、弁体３１の裏側（吸込み側）を支持する弁座３２を有する。弁座３２は、弁体３１の裏側に接触する第１シール面３５と、第１シール面３５に囲まれた第２シール面３６と、第２シール面３６に囲まれた吸込み流路３７を有する。
　弁体３１は、弁ロッド４０に接続されており、弁ロッド４０は、弁座３２に固定された弁ガイド４１に上下動可能に支持されている。弁体３１は、弁ロッド４０と一体に構成されてもよい。弁ロッド４０にはばねストッパ４３が固定されている。弁ガイド４１とばねストッパ４３との間にはばね４４が配置されている。このばね４４は、弁体３１を第１シール面３５および第２シール面３６に向かって押している。弁ガイド４１、ばねストッパ４３、およびばね４４は、吸込み流路３７内に配置されている。
　弁体３１は、ばね４４によって第１シール面３５に押し付けられ、第１シール面３５と接触する。一方、弁体３１と第２シール面３６との間には微小な隙間が形成されている。すなわち、弁体３１の裏側が第１シール面３５と接触しているとき、弁体３１の裏側と第２シール面３６との間には微小な隙間が存在する。弁体３１の裏側と第２シール面３６との間の隙間は、弁体３１が高圧の液化ガスによって変形したときに、弁体３１が第１シール面３５よりも先に第２シール面３６に接触することを防止し、弁体３１が第１シール面３５に確実に接触できるようにするために設けられている。
　しかしながら、加圧室１４内でピストン１８により加圧された高圧の液化ガス（高エンタルピーの流体）は、弁体３１と第１シール面３５との間に進入することがある。高圧の液化ガスが吸込み流路３７に到達すると、液化ガスが吸込み流路３７内で気化し、往復動ポンプ２のポンプ性能の低下を引き起こす。
　そこで、本実施形態では、吸込み逆止弁２６は、弁体３１と第１シール面３５との間に進入した液化ガスを往復動ポンプ２の外部に逃す流体逃し流路５０を備えている。流体逃し流路５０は、第１シール面３５と第２シール面３６との間に位置する流体入口５１を有する。流体逃し流路５０は、往復動ポンプ２の外部に連通している。図４に示す実施形態では、流体逃し流路５０は、吸込み逆止弁２６の弁座３２の側面に位置する流体出口５２を有する。
　図６は、第１シール面３５、第２シール面３６、および流体逃し流路５０の流体入口５１を軸方向から見た上面図である。流体入口５１は、第２シール面３６を囲んでいる。本実施形態では、第１シール面３５、第２シール面３６、および流体入口５１のそれぞれは、円環状である。流体逃し流路５０の流体入口５１は、第１シール面３５の径方向内側に位置しており、第２シール面３６は、流体入口５１の径方向内側に位置しており、吸込み流路３７は、第２シール面３６の径方向内側に位置している。
　吸込み逆止弁２６が閉じられているときに弁体３１と第１シール面３５との間に進入した高圧の液化ガス（高エンタルピーの流体）は、第２シール面３６に到達する前に、流体入口５１内に流入し、流体逃し流路５０を通って往復動ポンプ２の外部に排出される。したがって、高圧の液化ガスが吸込み流路３７に流入することが防止され、往復動ポンプ２のポンプ性能を維持することができる。
　図４に示すように、流体逃し流路５０は、流体入口５１から下方に延びる下降流路５４を含む。下降流路５４は、円筒形状を有している。下降流路５４は、高圧の液化ガスをその重力によって下方に流れることを促し、液化ガスの逆流を防止する。加えて、ピストン１８は、液化ガスを下降流路５４内に押し込み、下方に強制的に移動させる。流体逃し流路５０は、円筒形状の下降流路５４から水平に延びる複数の排出流路５５をさらに含む。これら排出流路５５は流体出口５２まで延びている。一実施形態では、図７に示すように、下降流路５４は、円錐台形状を有してもよい。
　一実施形態では、図８に示すように、流体逃し流路５０の全体は、円錐台形状の下降流路５４から構成されてもよい。この実施形態では、下降流路５４は、流体入口５１から流体出口５２まで斜め下方に延びている。
　一実施形態では、図９に示すように、流体逃し流路５０の全体は、円筒形状の下降流路５４から構成されてもよい。この実施形態では、下降流路５４は、流体入口５１から流体出口５２まで鉛直方向において下方に延びている。流体出口５２は、弁座３２の底面に設けられている。
　一実施形態では、図１０に示すように、流体逃し流路５０は、流体入口５１から下方に延びる円筒形状の下降流路５４と、下降流路５４から斜め上方に延びる複数の排出流路５５を含む。高圧の液化ガスの少なくとも一部は、低圧の排出流路５５内を流れるにつれて気化して、気体となることがある。この気体の浮力は、複数の排出流路５５内の液化ガスが流体出口５２に向かって移動することを補助する。
　一実施形態では、図１１に示すように、図７に示す円錐台形状の下降流路５４と、図１０に示す斜め上方に延びる複数の排出流路５５を組み合わせてもよい。
　図１２は、吸込み逆止弁２６の他の実施形態を示す断面図である。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６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１２に示すように、弁体３１は弁ロッド４０には接続されていない。弁体３１は、シリンダ１６の内面１６ａに上下動可能に支持されている。弁体３１の径方向外側にはばね６０が配置されている。ばね６０は、弁体３１の上壁３１ａと弁座３２との間に配置されている。ばね６０は、弁体３１を第１シール面３５および第２シール面３６から離れる方向に押している。ピストン１８により加圧室１４内の液化ガスが加圧されると、液化ガスの圧力により弁体３１が閉じられる（すなわち弁体３１の裏側は第１シール面３５に接触する）。弁体３１の下方には、複数の吸込み流路３７が設けられている。
　流体逃し流路５０は、流体入口５１よりも径方向内側に位置する下降流路５４と、流体入口５１と下降流路５４とを連通する複数の連通流路６３を含む。下降流路５４は、鉛直方向において下方に延び、流体出口５２まで延びている。流体逃し流路５０は、下降流路５４の上端に接続された流体室６４をさらに含む。流体室６４は、弁体３１の中央部の下方に位置している。流体室６４は、第２シール面３６および流体入口５１の径方向内側に位置している。流体室６４は、円錐台形または、円筒形状を有する。
　図１３は、弁体３１を上方から見た平面図である。弁体３１の上壁３１ａは複数の開口６５を有している。吸込み逆止弁２６が開いているとき（すなわち、弁体３１が第１シール面３５から離れているとき）、液化ガスは吸込み流路３７から弁体３１の開口６５を通じて加圧室１４に流入する。弁体３１の開口６５の数および形状は、図１３に示す実施形態に限られない。図１４は、吸込み逆止弁２６が開いているときの状態を示す図である。
　図１５は、第１シール面３５、第２シール面３６、および流体逃し流路５０の流体入口５１を軸方向から見た上面図である。本実施形態では、第１シール面３５、第２シール面３６、および流体入口５１のそれぞれは、円環状である。流体入口５１は、第１シール面３５の径方向内側に位置しており、第２シール面３６は、流体入口５１の径方向内側に位置しており、複数の吸込み流路３７は、第２シール面３６に囲まれている。
　下降流路５４は、複数の吸込み流路３７に隣接している。より具体的には、複数の吸込み流路３７は、下降流路５４の周りに配列されている。複数の連通流路６３は、第２シール面３６に形成された複数の溝である。複数の連通流路６３は、流体入口５１から流体室６４まで延びている。流体入口５１は、複数の連通流路６３および流体室６４を通じて下降流路５４に連通している。本実施形態では、３つの吸込み流路３７および３つの連通流路６３が設けられているが、吸込み流路３７の数、および連通流路６３の数は、本実施形態に限られない。一実施形態では、単一の吸込み流路３７および単一の連通流路６３が設けられてもよい。
　流体入口５１に流入した高圧の液化ガス（高エンタルピーの流体）は、複数の連通流路６３を通って流体室６４に流入する。流体室６４内の液化ガスは、ピストン１８によって下降流路５４に押し込まれ、流体出口５２から往復動ポンプ２の外部に排出される。
　図１６は、複数の連通流路６３の他の実施形態を示す上面図である。本実施形態では、各連通流路６３は、上から見たときに、流体室６４の径方向に対して傾斜した方向で流体室６４の側壁に接続されている。言い換えれば、複数の連通流路６３は、円錐台形または円筒形状を有する流体室６４の側壁の接線方向に延びている。このような複数の連通流路６３を通過した液化ガスは、流体室６４内に旋回流を形成し、液化ガスは流体室６４の底部の中央に接続された下降流路５４に流入しやすくなる。
　一実施形態では、図１７に示すように、流体室６４内の液化ガスの旋回流が持続するように、流体室６４の側壁に螺旋溝６７を形成してもよい。他の実施形態では、図１８および図１９に示すように、流体室６４内の液化ガスの旋回流が持続するように、流体室６４の側壁に螺旋状の静止翼６８を設けてもよい。
　さらに、他の実施形態では、図２０および図２１に示すように、流体室６４内の液化ガスの旋回流が持続するように、流体室６４内に回転翼６９を配置してもよい。回転翼６９は、流体室６４内で回転可能に構成されている。一実施形態では、回転翼６９は、支持軸７０により回転可能に支持されており、支持軸７０は弁体３１の底部に固定されている。回転翼６９および支持軸７０は、弁体３１と一体に移動する。弁体３１が閉じられたとき、図２０に示すように、回転翼６９は流体室６４内に位置し、流体室６４内で回転する。
　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、プランジャポンプやピストンポンプなどの往復動ポンプに利用可能であり、特に液化ガスを移送する用途に適した往復動ポンプに利用可能である。
　１　　　貯留タンク
　２　　　往復動ポンプ
　５　　　アクチュエータ
　７　　　流体入口ポート
　８　　　ボイルオフガス排出ポート
１０　　　ピストンロッド
１２　　　継手装置
１３　　　液化ガス排出ライン
１４　　　加圧室
１６　　　シリンダ
１８　　　ピストン
２２　　　シールリング
２６　　　吸込み逆止弁
２７　　　吐出し逆止弁
３１　　　弁体
３２　　　弁座
３５　　　第１シール面
３６　　　第２シール面
３７　　　吸込み流路
４０　　　弁ロッド
４１　　　弁ガイド
４３　　　ばねストッパ
４４　　　ばね
５０　　　流体逃し流路
５１　　　流体入口
５２　　　流体出口
５４　　　下降流路
５５　　　排出流路
６０　　　ばね
６３　　　連通流路
６４　　　流体室
６５　　　開口
６７　　　螺旋溝
６８　　　静止翼
６９　　　回転翼

Claims (10)

  1. 　流体を移送するための往復動ポンプであって、
    　加圧室を内部に有するシリンダと、
    　前記シリンダ内に配置されたピストンと、
    　前記加圧室に連通する吸込み逆止弁を備え、
    　前記吸込み逆止弁は、
    　　弁体と、
    　　前記弁体の裏側に接触する第１シール面と、
    　　前記第１シール面に囲まれた第２シール面と、
    　　前記第２シール面に囲まれた吸込み流路と、
    　　前記第２シール面を囲む流体入口を有する流体逃し流路を備え、
    　前記流体入口は、前記第１シール面と前記第２シール面との間に位置しており、
    　前記流体逃し流路は、前記往復動ポンプの外部に連通する流体出口を有する、往復動ポンプ。
  2. 　前記流体逃し流路は、前記流体入口から下方に延びる下降流路を含む、請求項１に記載の往復動ポンプ。
  3. 　前記流体逃し流路は、前記下降流路から前記流体出口まで斜め上方に延びる上昇流路をさらに含む、請求項２に記載の往復動ポンプ。
  4. 　前記流体入口は、円環形状を有する、請求項１に記載の往復動ポンプ。
  5. 　前記流体逃し流路は、前記流体入口よりも径方向内側に位置する下降流路と、前記流体入口と前記下降流路とを連通する連通流路を含み、前記下降流路は前記流体出口まで延びている、請求項１に記載の往復動ポンプ。
  6. 　前記流体逃し流路は、前記下降流路の上端に接続された流体室をさらに備え、
    　前記連通流路は、前記流体入口から前記流体室まで延びている、請求項５に記載の往復動ポンプ。
  7. 　前記連通流路は、上から見たときに、前記流体室の径方向に対して傾斜した方向で前記流体室の側壁に接続されている、請求項６に記載の往復動ポンプ。
  8. 　前記流体室の側壁には、螺旋溝が形成されている、請求項７に記載の往復動ポンプ。
  9. 　前記吸込み逆止弁は、前記流体室の側壁に設けられた螺旋状の静止翼をさらに備えている、請求項７に記載の往復動ポンプ。
  10. 　前記吸込み逆止弁は、前記流体室内に配置された回転翼をさらに備えている、請求項７に記載の往復動ポンプ。
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