(57)【要約】【課題】液面変動を抑制して安定的な運転ができる低温液化ガスポンプ及びその運転制御方法を提供する。【解決手段】本発明に係る低温液化ガスポンプ１は、電動機３、インペラ５、電動機３と前記インペラ５を接続するシャフト７と、シャフト７を支持する磁気ベアリング９と、これら構成機器を覆うモータハウジング１１ｍ、インペラハウジング１１ｉ及びシャフトハウジング１１ｓからなるハウジング１１とを備えた非浸漬式の低温液化ガスポンプ１であって、シャフトハウジング１１ｓの外面に設けられ、内部の液面変化によるシャフトハウジング１１ｓの温度変化を検知する温度検知部１３と、ハウジング１１の内部空間に、液面調整用のガスを注入、排出するガス注入・排出部１５と、温度検知部１３の温度検知信号を入力して、該温度検知信号に基づいてガス注入・排出部１５からガスの注入・排出を行うガス注入・排出機構部１７とを備えたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機、インペラ、前記電動機と前記インペラを接続するシャフトと、該シャフトを支持する磁気ベアリングと、これら構成機器を覆うモータハウジング、インペラハウジング及びシャフトハウジングからなるハウジングとを備えた非浸漬式の低温液化ガスポンプであって、
前記シャフトハウジングの外面に設けられ、内部の液面変化による前記シャフトハウジングの温度変化を検知する温度検知部と、
前記ハウジングの内部空間に、液面調整用のガスを注入、排出するガス注入・排出部と、
前記温度検知部の温度検知信号を入力して、該温度検知信号に基づいて前記ガス注入・排出部からガスの注入・排出を行うガス注入・排出機構部とを備えたことを特徴とする低温液化ガスポンプ。
【請求項２】
前記ガス注入・排出機構部は、前記低温液化ガスポンプから吐出される低温液化ガスをガス化したガスを注入するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の低温液化ガスポンプ。
【請求項３】
前記ガス注入・排出部は、ガス注入部とガス排出部が分離され、前記ガス注入部は、前記モータハウジングに設けられ、前記ガス排出部は、前記シャフトハウジングに設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の低温液化ガスポンプ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の低温液化ガスポンプの運転制御方法であって、
前記低温液化ガスポンプの定常運転時において、
前記温度検知部が予め設定した温度よりも高い温度を検知したときに、前記ガス注入・排出機構部は、ガスを排出し、前記温度検知部が予め設定した温度よりも低い温度を検知したときに、前記ガス注入・排出機構部は、ガスを注入することを特徴とする低温液化ガスポンプの運転制御方法。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の低温液化ガスポンプの運転制御方法であって、
前記低温液化ガスポンプの起動時において、
前記温度検知部の検知温度が所定の温度以下になるまで、前記ガス注入・排出機構部は、前記ガス注入・排出部からガスを排出するようにしたことを特徴とする低温液化ガスポンプの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温液化ガスを移送するために用いられる低温液化ガスポンプ、及び該低温液化ガスポンプの運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超電導ケーブルを利用した多くのシステムの研究が進められており、実用化に近づいている。この超電導ケーブルはその特性を確保するためには、超低温状態に維持する必要があり、超電導ケーブル冷却システムが開発されている。このような、超電導ケーブル冷却システムでは、多くの場合、液体窒素等の低温液化ガスを用いて、この液体窒素をシステム内に循環させており、その為に、液体窒素を循環させるためのポンプ（以下、「低温液化ガスポンプ」という）が不可欠である。
【０００３】
なお、以下の説明では、低温液化ガスポンプが移送する流体として、液体窒素を例に挙げて説明するが、本発明における低温液化ガスポンプが移送する流体は液体窒素に限定されず、例えば、空気を構成するガスの液化ガス(例えば、液体酸素、液体アルゴン)、液体水素、液体ヘリウム、液体二酸化炭素等を移送流体としてもよい。
【０００４】
低温液化ガスポンプの種類としては、例えば浸漬式液ポンプ、非浸漬式の液ポンプ、長軸型の液ポンプがあるので、以下、各ポンプについて説明する。
【０００５】
(浸漬式液ポンプ)
浸漬式の液ポンプは、例えば、液化天然ガスの圧送に多用されている。この液ポンプは処理対象の液化ガス内に設置され、低温液化ガスを圧送する型式の液ポンプである。しかし、この浸漬式の液ポンプは、液ポンプのモータ発熱が全て、圧送する低温液化ガスへの侵入熱となるので、侵入熱を最小限に抑えなければならない超電導ケーブル冷却システムに用いると、熱的な効率が低下するので適切ではない。
【０００６】
(非浸漬式の液ポンプ)
浸漬式と異なる形式の液ポンプとして、液ポンプのモータ部分を常温状態で用いる非浸漬式の液ポンプがあり、例えば、特許文献１に開示されている。この液ポンプのインペラ部分は、移送対象の低温液化ガス温度で運転されているが、インペラを駆動するモータ部分は常温状態で用いられる。この型式の液ポンプでは、液面トラブルによって、モータが冷却されない様に、インペラ部分とモータ部分の間に加熱手段が用いられる。この加熱手段により、インペラ部分への熱侵入が無視できない点に改良の余地がある。
【０００７】
(長軸型の液ポンプ）
非浸漬式の液ポンプにおける侵入熱を抑えるために長軸シャフトを採用したものがある(以下、「長軸液ポンプ」という)。長軸液ポンプとしては、例えば、バーバーニコルス社から多くの型式の長軸液ポンプが販売されている。
【０００８】
長軸液ポンプは冷却システムへの熱負荷/熱侵入が小さいことがメリットであるが、長軸シャフトの軸受としてボールベアリングが採用されており、定期的にメンテナンスが必要であり、そのメンテナンス間隔が短いためメンテナンスが煩雑であるという問題がある。つまり、メンテナンスの度に、長軸液ポンプ全体を常温まで加熱し、メンテナンス後、再度、長軸液ポンプを冷却する必要がある。
一方、長軸シャフトの軸受としてボールベアリングを採用した場合、長軸シャフトとボールベアリングが物理的に接触してしっかりと保持されているので、後述する様に、ハウジング内に存在する低温液化ガスの液面の変動等があっても、その影響は少なく、液ポンプ自体の運転は比較的安定しているという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−９２８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の種類の中では、メンテナンスの問題を除くと長軸液ポンプが好適である。そこで、長軸液ポンプの有するメンテナンスの問題を解決するには、長軸シャフトの軸受けとして、ボールベアリングに代えて磁気ベアリングを採用することが考えられる。
しかしながら、長軸シャフトの軸受けとして磁気ベアリングを採用する場合、ポンプの安定性に懸念があった。この点を、図３に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図３において、４５は長軸型の非浸漬式液ポンプ（以下、単に「液ポンプ４５」という場合あり）、３は電動機、５はインペラ、電動機３とインペラ５を接続する長軸のシャフト７と、９はシャフト７を支持する磁気ベアリング、１１はこれら構成機器を覆うハウジング（モータハウジング１１ｍ、シャフトハウジング１１ｓ、インペラハウジング１１ｉ）である。
非浸漬式液ポンプ４５では、通常、電動機３とインペラ５を接続するシャフト７は鉛直下方に向けて配設されている。
【００１２】
図３に示す液ポンプ４５を運転すると、導入口２１から液体窒素は液ポンプ４５に導入され、インペラ５によって加圧された後、吐出口２３から吐出される。液ポンプ４５には、稼動部分であるインペラ５の背面２５とインペラハウジング１１ｉの間には僅かの隙間(クリアランス２７)が設けられている。
【００１３】
インペラ５で加圧された液体窒素の一部は、定常運転の状態では、クリアランス２７を通り、シャフトハウジング１１ｓに侵入し、液面２９を形成する。この液面２９は、ハウジング１１内のガス圧力、液体窒素の吐出圧力Ｐｄ、液体窒素が隙間(クリアランス２７)を通過する抵抗、液体窒素液面のヘッド圧力及び液ポンプ４５への侵入熱の大きさ等によって定まる。つまり、このシャフト７部分に存在する低温液化ガスの量すなわち低温液化ガスの液面２９は成り行きであり、これを制御することは困難である。
液ポンプ４５の液体窒素の吐出圧力Ｐｄは、通常、一定の変動幅があり、又、液ポンプ４５への侵入熱は変動しているので、液面２９は変化している。
【００１４】
液化ガスの液面２９が変動すると、液ポンプ４５の吐出圧力の変動となり、磁気ベアリング９に作用する荷重が変動する。磁気ベアリング９は、非接触で長軸のシャフト７を片持ち状態で支持しているため、荷重変動があると運転が不安定になりやすいという問題がある。
また、液面２９が上昇すると、電動機３が冷却されるので運転上の問題となる。逆に、液体窒素液面が極端に低下すると、ポンプ吐出流体にガスが混入する等の問題がある。
【００１５】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、液面変動を抑制して安定的な運転ができる低温液化ガスポンプ及びその運転制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（１）本発明に係る低温液化ガスポンプは、電動機、インペラ、前記電動機と前記インペラを接続するシャフトと、該シャフトを支持する磁気ベアリングと、これら構成機器を覆うモータハウジング、インペラハウジング及びシャフトハウジングからなるハウジングとを備えた非浸漬式の低温液化ガスポンプであって、
前記シャフトハウジングの外面に設けられ、内部の液面変化による前記シャフトハウジングの温度変化を検知する温度検知部と、
前記ハウジングの内部空間に、液面調整用のガスを注入、排出するガス注入・排出部と、
前記温度検知部の温度検知信号を入力して、該温度検知信号に基づいて前記ガス注入・排出部からガスの注入・排出を行うガス注入・排出機構部とを備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記ガス注入・排出機構部は、前記低温液化ガスポンプから吐出される低温液化ガスをガス化したガスを注入するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記ガス注入・排出部は、ガス注入部とガス排出部が分離され、前記ガス注入部は、前記モータハウジングに設けられ、前記ガス排出部は、前記シャフトハウジングに設けられていることを特徴とするものである。
【００１９】
（４）本発明に係る低温液化ガスポンプの運転制御方法は、（１）乃至（３）のいずれかに記載の低温液化ガスポンプの運転制御方法であって、
前記低温液化ガスポンプの定常運転時において、
前記温度検知部が予め設定した温度よりも高い温度を検知したときに、前記ガス注入・排出機構部は、ガスを排出し、前記温度検知部が予め設定した温度よりも低い温度を検知したときに、前記ガス注入・排出機構部は、ガスを注入することを特徴とするものである。
【００２０】
（５）本発明に係る低温液化ガスポンプの運転制御方法は、（１）乃至（３）のいずれかに記載の低温液化ガスポンプの運転制御方法であって、
前記低温液化ガスポンプの起動時において、
前記温度検知部の検知温度が所定の温度以下になるまで、前記ガス注入・排出機構部は、前記ガス注入・排出部からガスを排出するようにしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明においては、シャフトハウジングの外面に設けられ、内部の液面変化による前記シャフトハウジングの温度変化を検知する温度検知部と、ハウジングの内部空間に、液面調整用のガスを注入、排出するガス注入・排出部と、前記温度検知部の温度検知信号を入力して、該温度検知信号に基づいてガス注入・排出部からガスの注入・排出を行うガス注入・排出機構部とを備えたことにより、以下の効果を奏することができる。
定常運転時において、シャフトハウジング内の液面を一定の範囲に制御できるので、液面変動による荷重の変動に起因して運転が不安定になるのを防止して、低温液化ガスポンプの安定運転を実現できる。
また、液面を所定の範囲に制御できることから、シャフトハウジング内において液面が上昇しすぎることによって電動機が冷却されるトラブルや、シャフトハウジング内の液面が所定位置以下に下降することによって、吐出口から吐出される低温液化ガスにガス流体が混入するトラブルを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる低温液化ガスポンプの説明図である。
【図２】図１に示した低温液化ガスポンプにおけるハウジング内の液面高さとハウジング内の温度との関係を説明する説明図である。
【図３】発明が解決しようとする課題を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本実施の形態に係る低温液化ガスポンプ１は、図１に示すように、電動機３、インペラ５、電動機３とインペラ５を接続する長軸のシャフト７と、シャフト７を支持する磁気ベアリング９と、これら構成機器を覆うモータハウジング１１ｍ、インペラハウジング１１ｉ及びシャフトハウジング１１ｓからなるハウジング１１と、シャフトハウジング１１ｓに設けられた温度検知部１３と、ハウジング１１の内部空間に、液面調整用のガスを注入、排出するガス注入・排出部１５と、温度検知部１３の温度検知信号を入力して、該温度検知信号に基づいてガス注入・排出部１５からガスの注入・排出を行うガス注入・排出機構部１７とを備えたことを特徴とするものである。
以下、各構成を詳細に説明する。
【００２４】
＜電動機＞
電動機３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ものを適用できる。
電動機３は、ハウジング１１における電動機３を収納する部位（モータハウジング１１ｍ）に収納されている。モータハウジング１１ｍは気密構造になっており、このモータハウジング１１ｍ内には、電動機３が回転軸の先端を下方に向けて配置されている。
【００２５】
＜インペラ＞
インペラ５は、シャフト７の先端に設置され、ハウジング１１におけるインペラ５を収納する部位（インペラハウジング１１ｉ）内に配設されて、電動機３によって回転駆動される。インペラハウジング１１ｉは、下部に低温液化ガスをハウジング１１内に導入する導入口２１が、側部に低温液化ガスを吐出する吐出口２３が、それぞれ設けられている。
図３で説明したように、インペラ５の背面２５とインペラハウジング１１ｉの間には僅かの隙間(クリアランス２７)が設けられている。
インペラ５は、インペラハウジング１１ｉ内で回転することにより、導入口２１から低温液化ガスを導入し、所定の圧力に加圧して吐出口２３から吐出する。
【００２６】
＜シャフト＞
シャフト７は、一端が電動機３軸に接続され、他端にはインペラ５が取り付けられている。シャフト７は、長軸シャフトであり、その長さは、２箇所のベアリング９の軸方向の間隔(図１のＬ)のおよそ１．５倍又はそれ以上の長さを有する。
シャフト７は、ハウジング１１におけるシャフト７を収納する部位（シャフトハウジング１１ｓ）内に配設されている。
シャフト７の一端側には、磁気ベアリング９が設けられ、片持ち状態で回転自在に支持されている。
【００２７】
＜磁気ベアリング＞
磁気ベアリング９は、常電導電磁石の吸引力を利用した磁気軸受であり、変位センサと制御システムによってシャフト７を安定に回転支持するものである。
磁気ベアリング９は、非接触型のベアリングであるため、ボールベアリングのような短期間でのメンテナンスが不要であり、上述したボールベアリングにおける課題を解決できる。
【００２８】
＜ハウジング＞
ハウジング１１は、電動機３、インペラ５、シャフト７等の構成機器を収納するためのものであり、上述したように、モータハウジング１１ｍと、インペラハウジング１１ｉと、シャフトハウジング１１ｓから構成される。
インペラハウジング１１ｉ、シャフトハウジング１１ｓ、モータハウジング１１ｍは、図１に示すように、連通している。したがって、インペラハウジング１１ｉ内に導入された低温液化ガスは、シャフトハウジング１１ｓ内に侵入して、その液面２９がシャフトハウジング１１ｓ内に形成される。低温液化ガスの蒸発ガスはシャフトハウジング１１ｓ内からモータハウジング１１ｍ内に至る。よって、シャフトハウジング１１ｓ内では、図２に示すように、液面２９に近い部位の温度が低く、徐々に温度が高くなっている。
【００２９】
＜温度検知部＞
温度検知部１３は、シャフトハウジング１１ｓの外壁に設けられ、内部の液面変化によるシャフトハウジング１１ｓの温度変化を検知するものである。換言すれば、温度検知部１３は、シャフトハウジング１１ｓの温度の変化を検知することで、シャフト７内部の液面変化を推定するものである。
【００３０】
図２に示すように、シャフトハウジング１１ｓ内の下部に液面２９があり、シャフトハウジング１１ｓ内は低温液化ガスの蒸気で満たされる。このため、シャフトハウジング１１ｓにおける液面２９に近い部位の温度は低く、液面２９から遠い部位（電動機３に近い部位）の温度は高くなる。例えば、シャフトハウジング１１ｓにおける上端では常温であり(例えば３００Ｋ)、下端では８０Ｋであり、シャフトハウジング１１ｓ軸方向に温度勾配が存在する。
そのため、例えば液面２９が図２におけるＡ位置から上昇して、二点鎖線で示すＢ位置に移動すると、温度曲線は、図２に示すように、そのまま図中の上方に平行移動したようになり、温度検知部１３における検知温度が低下する。このように、温度検知部１３での検知温度の変化を検知することで、液面２９の上昇、下降を知ることができる。
【００３１】
なお、温度検知部１３は、シャフトハウジング１１ｓ内の液面２９が最上位にある位置と同じか、それよりも上方に設置される必要がある。なぜなら、仮に、常時液面位置よりも下方の位置で温度検知する場合、液面２９が変化しても検知温度の変化がなく、液面２９の変化を検知できないからである。
【００３２】
＜ガス注入・排出部＞
ガス注入・排出部１５は、ハウジング１１の内部空間に、液面調整用のガスを注入、排出する部位であり、モータハウジング１１ｍに設けられたガス注入部３１と、シャフトハウジング１１ｓに設けられたガス排出部３３からなる。
液面調整用のガスは、所定の圧力を有する低温液化ガスをガス化したもの、例えば低温液化ガスが液体窒素の場合には窒素ガスでもよい。この場合、吐出口２３から吐出された昇圧された液体窒素の一部を気化後、注入するようにしてもよい。
また、注入するガスは、移送対象としている低温液化ガスに限られず、例えばヘリウムガスを注入するようにしてもよい。ヘリウムガスは、一般に移送対象としている液体窒素等の低温液化ガスよりも露点が低く、ハウジング１１内で、液体窒素に接触しても支障はない。
【００３３】
ガス注入部３１とガス排出部３３は同じ位置でもよく、別の位置でもよい。
なお、本実施の形態では、ガス注入部３１をモータハウジング１１ｍの上面部に設け、ガス排出部３３をシャフトハウジング１１ｓに設けているが、このようにした理由は以下の通りである。
モータハウジング１１ｍの上部は、温度が常温に近く、注入するガス温度と差異がないため、ガス注入によって検知温度に影響を与えない。仮に、液面２９近くに常温のガスを注入すると、液面２９が急激に蒸発することになり、温度検知が不安定になる。
また、常温ガスを注入する方が低温ガスを注入するよりも、注入の絶対量を少なくしてハウジング１１内の圧力上昇を図ることができるので効率がよい。
【００３４】
ガス排出部３３は、シャフトハウジング１１ｓに設けているが、シャフトハウジング１１ｓ内は比較的低温であるため、排出の絶対量が少なくても、ハウジング１１内部の圧力を低下しやすいためである。
なお、ガスを排出するとその位置よりも上方の温度が高いガスの移動により当該位置において温度変化が生ずるので、ガス排出部３３は温度検知部１３よりも上方に設け、ガスの排出による温度変化が生ずるのを抑えるようにするのが好ましい。
【００３５】
なお、ガス排出部３３と温度検知部１３のシャフトハウジング１１ｓにおける設置位置に関し、一応の目安を示すと以下の通りである。シャフトハウジング１１ｓにおいて、インペラ５の背面２５に対応する部分を０％とし、シャフトハウジング１１ｓの常温部分を１００％とすれば、温度検知部１３よりもガス排出部３３が上方にあることを前提として、温度検知部１３は２０〜８０％の位置に設置でき、ガス排出部３３は３０〜８０％の位置に設置できる。
【００３６】
＜ガス注入・排出機構部＞
ガス注入・排出機構部１７は、温度検知部１３の温度検知信号を入力して、該温度検知信号に基づいてガス注入・排出部１５からガスの注入・排出を行うものであり、ガス注入部３１に接続されたガス注入管３５と、ガス注入管３５に設けられたガス注入用開閉弁３７と、ガス排出部３３に接続されたガス排出管３９と、ガス排出管３９に設けられたガス排出用開閉弁４１と、温度検知部１３の検知信号を入力してガス注入用開閉弁３７とガス排出用開閉弁４１の開閉制御を行う弁制御部４３とを備えて構成されている。
【００３７】
弁制御部４３は、温度検知部１３からの信号により液面２９が上昇したことが推定されると、液面２９を下げるために、ガス注入用開閉弁３７を開放してガスをガス注入部３１からハウジング１１内に注入する。ガスが注入されることで、ハウジング１１内の圧力が上昇するので、液面２９が低下する。
逆に、弁制御部４３は、温度検知部１３からの信号により液面２９が下降したことが推定されると、液面２９を上げるために、ガス排出用開閉弁４１を開放してガス排出部３３からハウジング１１内のガスを排出する。ガスが排出されることで、ハウジング１１内の圧力が低下するので、液面２９が上昇する。
【００３８】
液面２９の制御についてより具体的に説明する。
仮に、図２において、液面２９をＡ位置に制御したいとすれば、液面２９がＡ位置にあるときの温度検知部１３で検知される温度（目標温度）、液面２９が許容値の限界まで上昇した場合の温度（液面上限温度）、液面２９が許容値の限界まで下降した場合の温度（液面下限温度）を、弁制御部４３に設定する。
【００３９】
弁制御部４３は、常時、温度検知部１３の検知温度を入力し、入力された温度が液面上限温度まで低下すると、液面２９を下げるためにガス注入用開閉弁３７を開放してガスをガス注入部３１からハウジング１１内に注入する。ガス注入速度は、ガス注入用開閉弁３７の開度を適宜調整することで調整できる。温度検知部１３の検知温度が、目標温度になると、弁制御部４３はガス注入用開閉弁３７を閉止してガスの注入を停止する。
【００４０】
逆に、温度検知部１３からの入力温度が液面下限温度まで上昇すると、弁制御部４３は、液面２９を上昇させるためにガス排出用開閉弁４１を開放してガス排出部３３からハウジング１１内のガスを排出する。ガス排出速度は、ガス排出用開閉弁４１の開度を適宜調整することで調整できる。温度検知部１３の検知温度が、目標温度になると、制御部はガス排出用開閉弁４１を閉止してガスの排出を停止する。
このような動作を繰り返すことで、液面２９を所定の範囲内に制御することができ、液面変化による磁気ベアリング９へのモーメントの変化を抑えることができる。
すなわち、本発明では、シャフトハウジング１１ｓ内の正確な低温液化ガスの液面２９の位置(高さ)を測定するのではなく、シャフトハウジング１１ｓ内の壁面の温度を測定するだけで、シャフトハウジング１１ｓ内の低温液化ガスの液面２９の変化を抑制することができる。
【００４１】
なお、低温液化ガスの温度は、その圧力によって変化するので、上述した目標温度、液面上限温度、液面下限温度はポンプの運転圧力毎に設定する必要がある。もっとも、運転圧力が変化するごとに設定値を変更するのは煩雑なので、目標温度の設定値を移送対象とする流体の物性(沸点、露点等)に基づいて決めるようにしてもよい。例えば、移送対象流体が液体窒素の場合、その沸点は、運転圧力が１ＭＰａ(Ａ)、２ＭＰａ(Ａ)の場合、夫々、103.8Ｋ、115.6Ｋとなる。従って、弁制御部における目標温度の設定値を、移送対象流体である液体窒素の運転圧力における沸点＋αとし、弁制御部は運転圧力を入力して自動的に目標温度を設定するようにすることで、制御のための目標温度をその都度変更することなく、スムーズな運転が可能となる。
【００４２】
次に、上記のように構成された本実施の形態に係る低温液化ガスポンプ１の運転制御方法について説明する。
なお、本発明の主な目的は、定常運転においてシャフトハウジング１１ｓ内の液面２９の変化を抑制するものであるが、本発明の構成を有することで、ポンプ起動時における従来の課題も解決できるので、まず、ポンプ起動時について、従来の課題とそれに対する効果を説明する。
【００４３】
＜ポンプの起動時＞
(起動における従来の課題)
従来の非浸漬式の液ポンプ４５（図３参照）では、メンテナンス後に液ポンプ４５を起動する際に定常運転時の温度まで冷却する必要があるが、この冷却に要する時間を短縮することが難しかった。
この理由を以下に説明する。
常温の液ポンプ４５を冷却する際、液ポンプ４５に移送対象の低温液化ガス(例えば液体窒素)を導入して冷却するが、液ポンプ４５に導入口から導入された液体窒素は液ポンプ４５のインペラ部分を冷却し、液体窒素は気化する。気化した窒素ガスは、液ポンプ４５の吐出口２３から吐出される。液ポンプ周りの配管は、通常液体窒素が流れることを想定して設計されており、その配管を気化した窒素ガスが流れる場合、液体が流れることを想定して設計されている配管に多量のガスが流れるために圧損が大きくなり、短期間で液ポンプ４５の冷却は困難であった。
【００４４】
起動時においては、インペラ５の背面２５やシャフト７の下部の部分の本来低温にするべき部分については、液体窒素または気化した低温の窒素ガスに直接触れることがなく、その部分の冷却には時間が必要であった。なお、図３は、定常状態を示しているので、液面２９がシャフトハウジング１１ｓの位置にある。
また、インペラ５の背面２５やシャフト７の下部については、基本的には、熱伝導で冷却されるが、何度まで冷却されたのか定量的に把握できなかった。その為、仮にインペラ５の背面２５やシャフト７の下部について、冷却が不十分な状態で、液ポンプ４５を起動した場合、液ポンプ４５の導入口２１から導入された液体窒素の一部が気化することで、液体窒素を押し出してしまい、液ポンプ４５が正常に起動できず、再度、液ポンプ４５の冷却が必要となる場合があった。
【００４５】
上記のような、従来の液ポンプ４５の有する課題に対して、本発明においては上記の構造を採用することで、従来と比較してスムーズな起動が可能となるので、このような起動方法を説明する。
低温液化ガスポンプ１の起動時、シャフトハウジング１１ｓの壁面の温度が所定温度に冷却されるまで、ガス排出用開閉弁４１を開放する。ガス排出用開閉弁４１を開放とすることで、ハウジング１１内圧力を低くできるので、インペラハウジング１１ｉ内に導入された液体窒素の一部がクリアランス２７を通り、シャフトハウジング１１ｓへ侵入するのを促進でき、低温液化ガスが直接接触することにより、インペラ５、シャフト７の冷却時間を短縮できる。また、シャフトハウジング１１ｓの壁面の温度の測定によって、低温液化ガスポンプ１の冷却の状態も定量的に把握でき、所定の温度まで冷却が完了したか否かを正確に知ることができる。
また、ガス排出用開閉弁４１からガスを抜き出すことで、電動機３の温度が低くなり過ぎるのを防止することもできる。
【００４６】
さらに、上記のように、インペラ５、シャフト７の冷却が促進されることで、吐出される窒素ガスの温度が低下し、窒素ガスが吐出口２３に接続されている配管を通過する際の圧損が小さくなるので、ポンプ初期冷却時における低温液化ガスのインペラ５内の通過を促進でき、この点でも、初期冷却を促進できる。
【００４７】
なお、ポンプ起動時、シャフトハウジング１１ｓの壁面の温度によって、ガス排出用開閉弁４１の開度を制御する場合、温度制御の設定値を、定常運転時の設定値と変えてもよい。つまり、ポンプ起動時は、温度制御の設定値を、定常運転時よりも低い温度にする。つまり、ポンプ全体の温度が高いので、シャフトハウジング１１ｓ内の低温液化ガス、例えば液体窒素の液面２９を通常運転よりも高い位置に制御して、ポンプの冷却を推進することが出来る。この場合、例えば、シャフトハウジング１１ｓの壁面の温度が、８０(大気圧の液体窒素飽和温度)〜１００Ｋになったら、ポンプが十分に冷却されたと判断し、ポンプを起動することが出来る。
【００４８】
＜定常運転時＞
定常運転時においては、温度検知部１３が予め設定した温度よりも高い温度を検知したときには、液面２９が低下していると推定されることから、弁制御部４３はガス排出用開閉弁４１を開放することで、ハウジング１１内のガスを排出し、ハウジング１１内の圧力を低下させることで液面２９を上昇させる。
逆に、温度検知部１３が予め設定した温度よりも低い温度を検知したときに、液面２９が上昇していると推定されることから、弁制御部４３はガス注入用開閉弁３７を開放することで、ガスをハウジング１１内に注入し、ハウジング１１内の圧力を高くすることで液面２９を下降させる。
【００４９】
以上のように、本実施の形態によれば、ポンプ起動時の冷却時間を短縮することができる。
また、定常運転時において、シャフトハウジング１１ｓ内の液面２９を一定の範囲に制御できるので、液面変動による荷重の変動に起因して運転が不安定になるのを防止して、低温液化ガスポンプ１の安定運転を実現できる。
さらに、液面２９を所定の範囲に制御できることから、シャフトハウジング１１ｓ内において液面２９が上昇しすぎることによって電動機３が冷却されるトラブルや、シャフトハウジング１１ｓ内の液面２９が所定位置以下に下降することによって、吐出口２３から吐出される低温液化ガスにガス流体が混入するトラブルを回避する事ができる。
【００５０】
なお、本願発明では、シャフトハウジング１１ｓ内の正確な低温液化ガスの液面２９の位置(高さ)を測定することは出来ない。
しかし、シャフトハウジング１１ｓ内の低温液化ガスの液面２９の位置(高さ)は諸条件で定まる結果であり、液面高さが一定であれば、シャフトハウジング１１ｓ内のどこに存在しても問題はない。本発明は、低温液化ガスの液面２９が変化することが問題である点に着目して、シャフトハウジング１１ｓの壁面の温度を測定することで、シャフトハウジング１１ｓ内の低温液化ガスの液面２９の傾向(上昇、下降)を推定し、液面高さを一定の範囲に制御するものである。
【符号の説明】
【００５１】
１  低温液化ガスポンプ
３  電動機
５  インペラ
７  シャフト
９  磁気ベアリング
１１  ハウジング
１１m  モータハウジング
１１s  シャフトハウジング
１１i  インペラハウジング
１３  温度検知部
１５  ガス注入・排出部
１７  ガス注入・排出機構部
２１  導入口
２３  吐出口
２５  背面
２７  クリアランス
２９  液面
３１  ガス注入部
３３  ガス排出部
３５  ガス注入管
３７  ガス注入用開閉弁
３９  ガス排出管
４１  ガス排出用開閉弁
４３  弁制御部
４５  非浸漬式液ポンプ
【図１】
2020060103.tif 000003
【図２】
2020060103.tif 000004
【図３】
2020060103.tif 000005