(57)【要約】【課題】冷温流体への入熱を抑制することが可能な低温流体用ポンプおよび当該低温流体用ポンプを用いた低温流体移送装置を提供する。【解決手段】低温流体用ポンプ１００は、インペラ８と、第１軸９および第２軸３１を含む回転軸と、インペラ軸１０と、筐体と、磁気軸受１１とを備える。回転軸はインペラ８を回転駆動するためのものである。筐体は、インペラ軸１０は回転軸とインペラ８とを接続する。筐体は、内周側筐体部分６と外周側筐体部分４０とフランジ部６ｃとインペラ軸カバー６ｄとインペラカバー６ｅと第２筐体７と蓋体１８とを含み、回転軸を内部に保持する。磁気軸受１１は、回転軸を筐体に対して回転可能に支持する。インペラ軸１０は中空の筒状体である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラと、
前記インペラを回転駆動するための回転軸と、
前記回転軸と前記インペラとを接続するインペラ軸と、
前記回転軸を内部に保持する筐体と、
前記回転軸を前記筐体に対して回転可能に支持する磁気軸受とを備え、
前記インペラ軸は中空の筒状体である、低温流体用ポンプ。
【請求項２】
前記筐体は、前記磁気軸受が接続される内周側筐体部分と、
前記内周側筐体部分を外側から覆うとともに、前記内周側筐体部分と空隙を隔てて配置された外周側筐体部分とを含む、請求項１に記載の低温流体用ポンプ。
【請求項３】
前記外周側筐体部分は、前記内周側筐体部分において前記インペラ側の第１端部と気密に接続される一方、前記内周側筐体部分において前記第１端部と反対側に位置する第２端部とは空間を隔てて配置され、
前記空隙は前記空間を介して前記外周側筐体部分の外部と繋がっている、請求項２に記載の低温流体用ポンプ。
【請求項４】
前記内周側筐体部分と、前記外周側筐体部分とは、前記空隙を気密に密封するように接続されている、請求項２に記載の低温流体用ポンプ。
【請求項５】
前記空隙は真空になっている、請求項４に記載の低温流体用ポンプ。
【請求項６】
前記内周側筐体部分は、ステンレス合金および樹脂材料のいずれかにより構成されている、請求項２〜５のいずれか１項に記載の低温流体用ポンプ。
【請求項７】
前記インペラ軸は、ステンレス合金および樹脂材料のいずれかにより構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の低温流体用ポンプ。
【請求項８】
前記回転軸は、前記インペラ軸に接続された第１軸と、前記第１軸と磁気継手により非接触で結合された第２軸とを含み、
前記磁気軸受は、前記第１軸を前記筐体に対して回転可能に支持する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の低温流体用ポンプ。
【請求項９】
低温流体を収容する容器と、
前記インペラが前記容器の内部に配置されるように、前記容器に設置された請求項１〜８のいずれか１項に記載の低温流体用ポンプと、
前記容器と接続されており、前記低温流体用ポンプにより運動エネルギーが付与された前記低温流体を流通させるための流通管路とを備える、低温流体移送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、低温流体用ポンプおよび低温流体移送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、低温液化ガスなどを送液する低温流体用ポンプが知られている。このような低温流体用ポンプにおいて、特に長期間連続運転が要求される超電導機器の冷却用に使用するポンプのように、故障やメンテナンス等でポンプを停止させることができない用途に使用されるポンプでは、軸受としてメンテナンス不要な磁気軸受が採用される。たとえば、特開２０１３−５７２５０号公報（特許文献１）では、軸受としてメンテナンスが不要な磁気軸受を採用した構成の低温流体用ポンプが開示されている。当該特許文献１に開示された低温流体用ポンプでは、発熱源であるモータの上部シャフトと下部シャフトとを磁気継手によって非接触状態で磁気結合することにより、モータからシャフトを通してインペラ側への熱侵入を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−５７２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述した低温流体用ポンプにおける発熱源はモータだけではない。たとえば、下部シャフトを支持する磁気軸受には支持力を発生させるために電力を供給する必要があるため、当該磁気軸受は発熱源となる。この場合、発熱源である磁気軸受の電磁石コイルから下部シャフトを通してインペラ側へ熱侵入が起きる。また、低温流体用ポンプの内側ケーシングを通して、熱が低温液化ガスへ放射される。この結果、ポンプが設置されている低温液化ガス容器内の低温液化ガスが気化することで低温液化ガスのロスが大きくなり、ポンプ効率も低下する。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、冷温流体への入熱を抑制することが可能な低温流体用ポンプおよび当該低温流体用ポンプを用いた低温流体移送装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示に従った低温流体用ポンプは、インペラと、回転軸と、インペラ軸と、筐体と、磁気軸受とを備える。回転軸はインペラを回転駆動するためのものである。インペラ軸は回転軸とインペラとを接続する。筐体は、回転軸を内部に保持する。磁気軸受は、回転軸を筐体に対して回転可能に支持する。インペラ軸は中空の筒状体である。
【０００７】
本開示に従った低温流体移送装置は、低温流体を収容する容器と、上記低温流体用ポンプと、流通管路とを備える。低温流体用ポンプは、インペラが容器の内部に配置されるように、容器に設置される。流通管路は、容器と接続されており、低温流体用ポンプにより運動エネルギーが付与された低温流体を流通させるためのものである。
【発明の効果】
【０００８】
上記によれば、磁気軸受に支持される回転軸とインペラとを連結するインペラ軸を薄肉中空構造にしたので、発熱源である磁気軸受の電磁石コイルからインペラへの熱の移動を低減することができる。また、磁気軸受を支持する筐体を二重構造としたので、磁気軸受から低温流体用ポンプの外部に存在する低温液化ガスなどの低温流体への熱の侵入を低減することができる。これにより効率の良い低温流体用ポンプおよび低温流体移送装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る低温流体移送装置の模式図である。
【図２】図１に示した低温流体移送装置に用いられる低温流体用ポンプの断面模式図である。
【図３】図２に示した低温流体用ポンプの変形例の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１１】
（実施の形態）
＜低温流体移送装置の構成＞
図１に示されるように、低温流体移送装置１は、低温流体用ポンプ１００と、容器２と、流入部３と、流出部４とを主に備える。
【００１２】
低温流体用ポンプ１００は、容器２の外部に配置されている部分と、容器２の内部に配置されている部分とを含む。低温流体用ポンプ１００は、容器２の圧力壁５に取り付けられている。低温流体用ポンプ１００の詳細は後述する。
【００１３】
容器２は、低温液化ガスなどの低温流体を内部に貯留するためのものである。低温流体は、例えば液体窒素（ＬＮ2）である。容器２は、耐圧容器として構成されており、内部に低温流体を貯留する本体部と、圧力壁５とを含む。本体部はたとえば上部に開口部が形成されている。圧力壁５は本体部の開口部を塞ぐように、本体部に接続されている。圧力壁５は、容器２において低温流体を貯留する内部空間に面している。圧力壁５は、図１に示すように例えば容器２の上記内部空間の上方に配置されている。図２に示すように、圧力壁５には、貫通孔５ａが形成されている。圧力壁５の当該貫通孔５ａには、低温流体用ポンプ１００において容器２の内部に配置されている部分が挿通されている。貫通孔５ａの孔軸は、例えば後述するポンプ１００のシャフトを構成する第１軸９の中心軸と同軸状に配置されている。
【００１４】
貫通孔５ａの周囲に位置する圧力壁５の部分には、圧力壁５の外周面５ｂに対して内周面側に向かって凹んでいる凹部が配置されている。当該凹部は、後述する固定部材１４がねじ込まれる部分である。圧力壁５を構成する材料は、法令等によって高圧ガスの収容容器の構成材料としての使用が認められている材料であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含む。
【００１５】
流入部３は、容器２の上記内部空間と接続されている管路を含む。低温流体は、流入部３の当該管路を通って容器２内に流入する。流出部４は、容器２の上記内部空間と接続されている管路を含む。低温流体は、流出部４の当該管路を通って容器２内から流出する。
【００１６】
流入部３および流出部４は、低温流体が流通する流通管路の一部として構成されている。当該流通管路は、図示しないリザーバタンクおよび図示しない冷凍機を含む。流入部３は、例えばリザーバタンクに接続されている。流出部４は、例えば冷凍機と接続されている。
【００１７】
また、異なる観点から言えば、上述した低温流体移送装置は、低温流体を収容する容器２と、上記低温流体用ポンプ１００と、流入部３および流出部４を含む流通管路とを備える。低温流体用ポンプ１００は、図２に示すようにインペラ８が容器２の内部に配置されるように、容器２に設置される。流通管路は、容器２と接続されており、低温流体用ポンプ１００により運動エネルギーが付与された低温流体ＬＧを流通させるためのものである。
【００１８】
＜低温流体用ポンプの構成＞
図２に示されるように、実施の形態１に係る低温流体用ポンプ１００（以下、単にポンプともよぶ）は、容器２の圧力壁５に配置された貫通孔５ａを塞ぐように配置される。低温流体用ポンプ１００は、インペラ８と、第１軸９および第２軸３１を含む回転軸と、インペラ軸１０と、筐体と、磁気軸受としてのラジアル磁気軸受１１と、第２軸３１を回転駆動するモータ３０とを主に備える。
【００１９】
回転軸を構成する第１軸９と第２軸３１とは磁気継手２０により非接触で回転力を伝達可能に結合されている。２つのラジアル磁気軸受１１は第１軸９を筐体に対して回転可能に支持する。２つのラジアル磁気軸受１１は、第１軸９の延在方向において互いに間隔を隔てて配置されている。磁気継手２０は、第１軸９の端部に固定された第１継手部材２２と、第２軸３１の端部に固定された第２継手部材２１とを含む。第２継手部材２１はカップ状の形状を有している。第１継手部材２２は第２継手部材２１の内側に配置されている。第１継手部材２２と第２継手部材２１との対向する部分には磁石が配置されている。この磁石が発生させる磁力により、第１継手部材２２と第２継手部材２１とは非接触で回転力を伝達できる。
【００２０】
第１軸９において第１継手部材２２に隣接する位置にスラスト磁気軸受１２が配置されている。また、第１軸９において、スラスト磁気軸受１２から見て第１継手部材２２と反対側に位置する部分にラジアル磁気軸受１１が配置されている。
【００２１】
筐体は、第１筐体と第２筐体７と蓋体１８とを含む。第１筐体は、内周側筐体部分６と外周側筐体部分４０とフランジ部６ｃとインペラ軸カバー６ｄとインペラカバー６ｅとを含む。内周側筐体部分６の上方端部は、圧力壁５の貫通穴５ｂ内に配置される。フランジ部６ｃは内周側筐体部分６の上方端部に接続されている。第１筐体は、フランジ部６ｃが圧力壁５の外周面５ｂ上に延在するように配置される。第２筐体７は筒状の形状を有するとともに、インペラ８側の端部にフランジ部が形成されている。第２筐体７のフランジ部は、第１筐体のフランジ部６ｃと重なるように配置される。第２筐体７のフランジ部と第１筐体のフランジ部６ｃとには、それぞれ固定部材１４を通すための貫通穴が形成されている。この貫通穴は、圧力壁５の外周面５ｂに形成された凹部と重なるように配置される。そして、この貫通穴および凹部に固定部材１４がねじ込まれて固定されることにより、第１筐体と第２筐体７とが圧力壁５に対して固定される。
【００２２】
第２筐体７の上方には開口部が形成されている。第２筐体７の開口部を塞ぐように蓋体１８が配置されている。蓋体１８と第２筐体７とにより囲まれた筐体の内部領域には磁気継手２０が配置されている。蓋体１８の外周側にはモータ３０が設置されている。モータ３０には第２軸３１が接続されている。蓋体１８にはモータ３０の一部を挿入する開口部が形成されている。当該開口部にモータ３０の一部が挿入固定されている。モータ３０において上記開口部に挿入された部分から第２軸３１が第２筐体７の内周側に向けて突出するように配置されている。
【００２３】
第１筐体の内周側筐体部分６と外周側筐体部分４０とインペラ軸カバー６ｄとインペラカバー６ｅとは、容器２の内部に配置されている。内周側筐体部分６および外周側筐体部分４０は筒状の形状を有する。インペラ軸カバー６ｄは内周側筐体部分６においてインペラ８に対向する側に位置し、内周側筐体部分６に接続されるとともにインペラ軸１０を囲むように配置されている。インペラカバー６ｅはインペラ軸カバー６ｄに接続されるとともに、インペラ８を囲むように配置されている。
【００２４】
インペラカバー６ｅには開口部としての流入口６ａおよび流出口６ｂが配置されている。流入口６ａは、インペラカバー６ｅの下方端部に配置され、下方に開口している。流出口６ｂは、インペラ８の中心軸の延在方向（第１軸９の中心軸の延在方向）から見たインペラ８の外周面の接線方向に開口している。
【００２５】
内周側筐体部分６にはラジアル磁気軸受１１が接続される。外周側筐体部分４０は、内周側筐体部分６を外側から覆うとともに、内周側筐体部分６と空隙を隔てて配置される。回転軸はインペラ８を回転駆動するためのものである。インペラ軸１０は回転軸を構成する第１軸９とインペラ８とを接続する。第１軸９の延在方向はたとえば重力方向（鉛直方向）である。筐体は、回転軸としての第１軸９と第２軸３１とを内部に保持する。ラジアル磁気軸受１１は、回転軸を構成する第１軸９を筐体である内周側筐体部分６に対して回転可能に支持する。インペラ軸１０は中空の筒状体である。
【００２６】
図２に示すように、外周側筐体部分４０は、内周側筐体部分６においてインペラ８側の第１端部４３と気密に接続される一方、内周側筐体部分６において第１端部４３と反対側に位置する第２端部とは空間４１を隔てて配置される。空隙は上記空間４１を介して外周側筐体部分４０の外部と繋がっている。外周側筐体部分４０のモータ３０側の端部４２は、圧力壁５の内周面に沿って延びるフランジ部となっている。外周側筐体部分４０の端部４２は、容器２中の低温流体ＬＧの液面より上に配置されている。そのため、内周側筐体部分６と外周側筐体部分４０との間の空隙には低温流体ＬＧは流入していない。
【００２７】
低温流体用ポンプ１００において、蓋体１８、第２筐体７、ならびに第１筐体の内周側筐体部分６、フランジ部６ｃ、インペラ軸カバー６ｄおよびインペラカバー６ｅは、法令等によって高圧ガスの収容容器の構成材料としての使用が認められている材料であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含む。
【００２８】
また、低温流体用ポンプ１００において、第１筐体の外周側筐体部分４０およびインペラ軸１０は、熱伝導率の比較的小さい材料、たとえばステンレス合金および樹脂材料のいずれかにより構成されている。
【００２９】
インペラ８は、容器２内の低温流体ＬＧに運動エネルギーを付与する。インペラ８は、例えば遠心羽根車として構成されている。インペラ８は、インペラ軸１０の一端に接続されている。回転軸、モータ３０、ラジアル磁気軸受１１およびスラスト磁気軸受１２は、インペラ８を回転駆動する駆動部を構成している。
【００３０】
＜低温流体移送装置および低温流体用ポンプの作用効果＞
図１および図２に示した低温流体用ポンプ１００は、特許文献１に開示されたポンプと同様に低温流体の一例としての低温液化ガスを貯留した容器２（低温液化ガス容器）の天板である圧力壁５に装着されるものである。低温流体用ポンプ１００では、容器２の外部にモータ３０を配置し、容器２の内部において、少なくともインペラ８とラジアル磁気軸受１１とを低温流体に浸漬した状態で配置している。上述のように、モータ３０で駆動される上部シャフトとしての第２軸３１と下部シャフトとしての第１軸９との間には磁気継手２０が配置される。このため、モータ３０の駆動力は非接触で第２軸３１から第１軸９に伝達される。このように磁気継手２０が非接触で回転力を伝達するため、発熱源であるモータ３０から第１軸９を経由したインペラ８側への熱の移動が抑制される。
【００３１】
一方、第１軸９を支持するラジアル磁気軸受１１には支持力を発生するために電力を供給する必要があり、その結果ラジアル磁気軸受１１は発熱源となる。そこで、上記低温流体用ポンプ１００では、インペラ８と第１軸９とを接続するインペラ軸１０を薄肉中空構造にすることで熱抵抗を大きくしている。この結果、ラジアル磁気軸受１１からインペラ８への熱侵入を低減している。異なる観点から言えば、インペラ軸１０が中空の筒状体であるため、当該インペラ軸１０が中実体である場合よりもインペラ軸１０の断面積を低減できる。このため、発熱源としてのラジアル磁気軸受１１から発生する熱が第１軸９およびインペラ軸１０を介してインペラ８側へ伝導するときに、入熱経路であるインペラ軸１０での熱抵抗を大きくできる。そのため、インペラ軸１０を介してインペラ８側へ伝わる熱量を低減できる。この結果、当該インペラ８側への熱伝導に起因する低温流体ＬＧのガス化や低温流体用ポンプ１００におけるポンプ効率の低下を抑制できる。
【００３２】
また、低温流体ＬＧに浸漬されるケーシング部である筐体の部分について、内周側筐体部分６と外周側筐体部分４０とからなる二重構造を採用することにより、ラジアル磁気軸受１１を支持する内周側筐体部分６が直接低温流体ＬＧに接触することを防止できる。異なる観点から言えば、内周側筐体部分６と外周側筐体部分４０との間に空隙が形成されているので、ラジアル磁気軸受１１から内周側筐体部分６を介して外周側筐体部分４０への伝わる熱量を低減できる。また、内周側筐体部分６において上方に位置する第２端部が低温流体ＬＧの液面より上となるように低温流体用ポンプ１００が配置されているので、上記空隙を密封することなく内周側筐体部分６と外周側筐体部分４０との間に低温流体ＬＧが存在しない空隙を形成した状態とすることができる。この結果、内周側筐体部分６から外周側筐体部分４０を介して外部の低温流体ＬＧへの熱の移動を低減できる。
【００３３】
また、上述した低温流体用ポンプ１００では、第１筐体の外周側筐体部分４０およびインペラ軸１０が、ステンレス合金および樹脂材料のいずれかにより構成されているので、液体窒素などの低温流体に対して上記低温流体用ポンプ１００を適用しても第１筐体の外周側筐体部分４０およびインペラ軸１０の健全性を維持できる。
【００３４】
そして、図２に示した低温流体用ポンプ１００を適用した低温流体移送装置１では、上記のようにラジアル磁気軸受１１などの発熱源からインペラ８側や低温流体ＬＧへの熱浸入を低減することができる。この結果、低温流体の気化といったロスが少なく、ポンプでの効率の低下を抑制可能である高効率な低温流体移送装置１を実現できる。
【００３５】
＜変形例の構成および作用効果＞
図３に示した低温流体用ポンプを備えた低温流体移送装置は、基本的には図１および図２に示した低温流体移送装置と同様の構成を備えるが、低温流体用ポンプの構成が一部異なっている。具体的には、図３に示した低温流体用ポンプでは、内周側筐体部分６と、外周側筐体部分４０とは、内周側筐体部分６と外周側筐体部分４０との間に形成される空隙を気密に密封するように接続されている。当該空隙は大気圧より減圧された減圧状態、あるいは真空にされていてもよい。この場合、内周側筐体部分６と外周側筐体部分４０との間の空隙における気体の対流による熱の移動を低減でき、当該空隙の断熱性能を向上させることができる。
【００３６】
具体的には、図３に示した低温流体用ポンプ１００では、外周側筐体部分４０の端部４２がフランジ部６ｃの下面と圧力壁５の上面との間に挟まれて固定されることで、外周側筐体部分４０と内周側筐体部分６とが接続されている。このとき、外周側筐体部分４０の端部４２とフランジ部６ｃの下面との間にシール部材を配置する、あるいは端部４２とフランジ部６ｃとを溶接した接合部を形成する、といった手法を採用してもよい。
【００３７】
この場合、低温流体用ポンプ１００の配置にかかわらず、内周側筐体部分６と外周側筐体部分４０との間に低温流体が存在しない空隙を形成した状態とすることができる。
【００３８】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、超電導機器の冷却用に用いる低温流体を移送するためのポンプや移送装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  低温流体移送装置、２  容器、３  流入部、４  流出部、５  圧力壁、５ａ  貫通孔、５ｂ  外周面、６  内周側筐体部分、６ａ  流入口、６ｂ  流出口、６ｃ  フランジ部、６ｄ  インペラ軸カバー、６ｅ  インペラカバー、７  第２筐体、８  インペラ、９  第１軸、１０  インペラ軸、１１  ラジアル磁気軸受、１２  スラスト磁気軸受、１４  固定部材、１８  蓋体、２０  磁気継手、２１  第２継手部材、２２  第１継手部材、３０  モータ、３１  第２軸、４０  外周側筐体部分、４１  空間、４２  端部、４３  第１端部、１００  低温流体用ポンプ、ＬＧ  低温流体。
【図１】
2018123683.tif 000003
【図２】
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【図３】
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