(57)【要約】【課題】原料流体を高圧反応容器に供給するポンプ装置のエネルギ効率を向上する。【解決手段】高圧反応容器１４内で原料流体を反応して生成された生成流体を、背圧ポンプ室１８に導く。生成流体の圧力により、差動プランジャ２２を介して加圧ポンプ室１６内の原料流体を加圧し、高圧反応容器１４に供給する。不足する分を、さらに加圧プランジャを駆動して、加圧ポンプ室１６より高圧反応容器１４に供給する。原料流体の加圧、供給に、排出された生成流体の有している圧力のエネルギを利用することにより、エネルギ効率が向上する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器に原料流体を送るポンプ装置であって、
前記原料流体で満たされた加圧ポンプ室であって、当該加圧ポンプ室にて加圧された前記原料流体が前記反応容器に送り出される、加圧ポンプ室と、
前記原料流体が前記反応容器内で反応して生成された生成流体が送り込まれ、この流体で満たされる排出ポンプ室と、
往復運動をすることによって前記加圧ポンプ室の容積を増減する往復運動子と、
前記加圧ポンプ室の容積と前記排出ポンプ室の容積を関連させて増減する差動機構と、
を含み、
前記排出ポンプ室に生成流体を送り込むことによって、差動機構を介して前記加圧ポンプ室内の原料流体を前記反応容器に送り込み、さらに前記往復運動子の運動により原料流体を前記反応容器に送り込む、
ポンプ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプ装置であって、前記差動機構は、前記加圧ポンプ室に面する加圧側受圧面と前記排出ポンプ室に面する排出側受圧面とを有する一体の差動プランジャを含み、前記加圧側受圧面が前記排出側受圧面より面積が小さい、ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応容器に原料流体を加圧して送るポンプ装置に関し、特にポンプ装置を含むシステムのエネルギ効率の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
反応容器に原料流体を加圧して供給するポンプ装置が知られている。従来は、ポンプ装置を外部からの動力によって駆動し、この外部動力によってのみ、原料流体を加圧して反応容器に供給していた。
【０００３】
反応後、反応容器から排出される生成流体は、依然高い圧力を有している。この排出される流体の圧力を、原料流体供給用のポンプ装置の駆動動力として利用することができれば、エネルギの有効利用となる。
【０００４】
本発明は、排出される生成流体が有しているエネルギを原料流体の昇圧に用いる動力として回収し、ポンプ装置の効率を高めることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明にかかるポンプ装置においては、反応容器から排出される生成流体が有している圧力のエネルギを、前記反応容器に供給する原料流体を加圧する際の動力として利用し、効率の改善を図っている。
【０００６】
具体的には、反応容器に送り込まれる前に原料流体を加圧する加圧ポンプ室と、反応後、反応容器から排出される生成流体が送り込まれる排出ポンプ室と、これらのポンプ室の容積を関連させて増減する差動機構を備え、排出ポンプ室内に送られた生成流体の圧力を、差動機構を介して加圧ポンプ室に伝達し、加圧ポンプ室内の原料流体を加圧して動力の回収を行う。また、回収された動力で不足する分については、往復運動によって加圧ポンプ室容積を増減する往復運動子を駆動して原料流体の加圧、供給を行う。
【０００７】
差動機構は、好ましくは、前記加圧ポンプ室に面する加圧側受圧面と前記排出ポンプ室に面する排出側受圧面とを有する一体の差動プランジャを含むものとすることができる。このとき、前記加圧側受圧面が前記排出側受圧面より面積が小さいものとできる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態のポンプ装置を含むプラントの概略構成図である。ポンプ装置１０は、非圧縮性の原料流体を、原料流体槽１２より高圧反応容器１４へと加圧ポンプ室１６を介して、加圧して送る。原料流体は、高圧反応容器１４内で反応し、非圧縮性の生成流体となる。生成流体は、ポンプ装置１０の排出ポンプ室１８を介して、下流へと送られる。
【０００９】
ポンプ装置１０は、大径部分と小径部分の二つの部分を有する差動シリンダ２０と、この差動シリンダ２０の異なる径の部分に各々対応する大径部分の小径部分の二つの部分を有する差動プランジャ２２を有する。差動シリンダ２０の小径部分の内周面２４（以下、小径側内周面２４と記す）および差動プランジャ２２の小径部分の端面２６（以下、小径側端面２６と記す）により囲まれる空間が前述の加圧ポンプ室１６である。一方、差動シリンダ２０の大径部分の内周面２８（以下、大径側内周面２８と記す）および差動プランジャ２２の大径部分の端面３０（以下、大径側端面３０と記す）により囲まれる空間が、前述の排出ポンプ室１８である。
【００１０】
加圧ポンプ室１６に対して、この容積を、往復運動によって増減させる往復運動子として加圧プランジャ３２が設けられている。加圧プランジャ３２には、差動シリンダ２０の小径部分につながる加圧シリンダ３４内を、クランク機構などの動力伝達機構を介してモータ（不図示）などの原動機により駆動され、往復運動を行う。
【００１１】
加圧ポンプ室１６と原料流体槽１２を結ぶ管路には第１開閉弁３８が、また加圧ポンプ室１６と高圧反応容器１４を結ぶ管路には第２開閉弁４０が設けられている。排出ポンプ室１８と高圧反応容器１４を結ぶ管路には第３開閉弁４２が、また排出ポンプ室１８から更に後流へ向かう管路には第４開閉弁４４が設けられている。また、差動シリンダ２０と差動プランジャ２２の異なる径の部分の境界部分で形成される空間４６には、この空間４６と原料流体槽１２をつなぐ補助管路４８が設けられている。
【００１２】
図２ないし図４は、ポンプ装置１０の動作を説明するための図である。各構成要素については図１と同様の符号を付している。図２（ａ）においては、差動プランジャ２２は、その可動範囲の図において最も右方向、すなわち加圧ポンプ室１６を差動プランジャ２２の動きにより達成される最大の容積とし、排出ポンプ室１８を最小の容積としている。このとき、第１〜４の開閉弁３８，４０，４２，４４は全て閉じた状態となっている。また、加圧ポンプ室１６は、原料流体が満たされた状態となっている。図２（ａ）の状態から、第２および第３開閉弁４０，４２を開放すると、高圧反応容器１４内の圧力が、差動プランジャ２２の小径側端面２６および大径側端面３０に作用する。このとき、大径側端面３０の方が受圧面積が大きく、この面積差に相当する、差動プランジャ２２を図中左方向へと移動させる力が、差動プランジャ２２に作用する。この力によって、図２（ｂ）に示すように、差動プランジャ２２が左方向に移動し、排出ポンプ室１８には第３開閉弁４２を通って生成流体が流れ込み、また加圧ポンプ室１６から第２開閉弁４０を通って高圧反応容器１４へと原料流体が送り込まれる。図２（ｂ）は、排出ポンプ室１８の容積が最大となり、加圧ポンプ室１６の容積が差動プランジャ２２の動きにより達成される最小の容積となった状態である。
【００１３】
次に、図２（ｃ）に示すように、第２および第３開閉弁４０，４２を閉じ、第１開閉弁３８を開く。この状態で加圧プランジャ３２を図中左方向に移動する。この移動によって、加圧ポンプ室１６の容積が拡大し、第１開閉弁３８を通って原料流体がここに流入する。次に、図３（ａ）のように、第１開閉弁３８を閉じ、第２開閉弁４０を開く。そして、加圧プランジャ３２を右方向に移動させて、加圧ポンプ室１６内の原料流体を第２開閉弁４０を通して高圧反応容器１４に向けて送り出す。このとき、排出ポンプ室１８は密閉されているため、差動プランジャ２２は移動しない。加圧プランジャ３２の往復運動は、加圧ポンプ室１６と排出ポンプ室１８の行程容積差分の量を補うだけの回数実行される。排出ポンプ室１８と加圧ポンプ室１６は、差動プランジャ２２を左方向に移動させるために、異なる断面積となっており、このため、１回のストロークあたりの容積の変化は、排出ポンプ室１８の方が大きい。つまり、高圧反応容器１４内から排出される生成流体の方が、送り込まれる原料流体より多く、差動プランジャ２２が往復動作を繰り返すと、高圧反応容器１４内の圧力が低下し、所定の反応が行われなくなる。また、高圧反応容器１４内の原料流体がなくなってしまう。このように加圧プランジャ３２によって、高圧反応容器１４に供給される流体と、排出される流体の量を同一とし、流出入のバランスをとっている。
【００１４】
高圧反応容器１４より排出された生成流体と同量の原料流体が高圧反応容器１４に送られたら、加圧プランジャ３２を可動範囲の左端まで移動させて図２（ｃ）の状態とし、その後、図３（ｂ）に示すように第１ないし第３開閉弁４０，４２，４４を閉じ、第４開閉弁４４のみ開く。そして、加圧プランジャ３２を右方向に移動させる。加圧ポンプ室１６は密閉されており、前記の加圧プランジャ３２の移動は、差動プランジャ２２を右方向に移動させる力を発生する。このとき第４開閉弁４４が開いているので、差動プランジャ２２は移動し、これと共に排出ポンプ室１８内の生成流体はこの弁を通って後流へと送り出される。加圧プランジャ３２が可動範囲の右端に達した後、図３（ｃ）に示すように第１開閉弁３８を開き、第４開閉弁４４を閉じる。そして、加圧プランジャ３２を左方向に移動させ、加圧ポンプ室１６に原料流体槽１２より原料流体を導く。このとき、差動プランジャ２２は、排出ポンプ室１８が密閉されているため移動しない。加圧プランジャ３２が左へ移動後、再び第１ないし第４開閉弁の開閉状態を図３（ｃ）に示すようにして、加圧プランジャ３２を右に移動させる。差動プランジャ２２がその可動範囲の右端に移動するまで加圧プランジャ３２の往復運動を続ける。差動プランジャ２２が右端まで移動した状態が図４に示す状態であり、この状態で第４開閉弁４４を閉じると、図２（ａ）の状態に戻る。
【００１５】
以上を繰り返して、原料流体を継続的に反応させ、反応生成物を得る。
【００１６】
以上説明したように、本実施形態のポンプ装置１０においては、原料流体を加圧して高圧反応容器に送る際に、高圧反応容器より排出される生成流体の有している圧力エネルギを利用する。従来、利用されていなかった反応後の流体のエネルギを利用することで、エネルギ消費を抑えることができ、ポンプ装置の効率が向上する。
【００１７】
また、原料流体の多くの部分は、差動プランジャ２２の動作によって加圧、送出されるため、加圧プランジャ２２は補助的な加圧、送出を行えばよく、小形とすることができる。すなわち、プランジャ断面積を小さくすることで、単位面積当たりの圧力の強さが高いまま（高圧）でも吐出流量が小さいため仕事量が小さく、クランク機構や、原動機などについても、小形となり、また軸受けなどの荷重も低減される。
【００１８】
図５は、他の実施形態として、ダイアフラムを利用したポンプ装置５０の概略構成を示す図である。図１に示すポンプ装置１０の構成要素と対応するものについては、共通の符号を付し、説明を省略する。ポンプ装置１０においては、排出側の圧力を利用して供給側の加圧を行う差動機構として差動プランジャ２２が用いられたが、この実施形態のポンプ装置５０においては、差動機構は、差動プランジャ５２およびダイアフラム５４，５６と、これらに付随する補助機構を含む。
【００１９】
加圧ポンプ室側のダイアフラム５４は、一方の面を加圧ポンプ室１６に、他方の面を差動プランジャ５２の小径部分により容積が増減される加圧ポンプ側流体圧駆動室５８に面している。他方の、排出ポンプ室側のダイアフラム５６は、一方の面を排出ポンプ室１８に、他方の面を差動プランジャ５２の大径部分により容積が増減される排出ポンプ側流体圧駆動室６０に面している。加圧ポンプ側および排出ポンプ側流体圧駆動室５８，６０は、それぞれエア抜き弁６２，６４を介してリザーバ６６に連通している。エア抜き弁６２，６４は、リザーバ６６に向かう方向の流れを、各流体圧駆動室５８，６０側とリザーバ６６側の差圧が所定値以上となったときに許容する。また、エア抜き弁５８，６０は、流体圧駆動室５８，６０で発生したエアを排出する際に、作動流体も排出する。また、リザーバ６６は、差動プランジャ５２の段がついた部分で形成される空間４６（図１参照）と連通している。
【００２０】
差動プランジャ５２の両側の端面には、差動流体の補給弁６８，７０が備えられている。図６は、補給弁７０の構造の詳細を示す図である。また、補給弁６８の構造も補給弁７０と同様であり、こちらの説明等は省略する。補給弁７０は、差動プランジャ５２に固定され、内部にボール弁７２を納めたスリーブ７４と、スリーブ７４に案内されて軸方向（図中左右方向）に移動する制御弁７６とを含んでいる。ボール弁７２は、ばね７８によりリザーバ６６へ向かう通路８０をふさぐ方向に付勢されている。制御弁７６の軸部分には、スリーブ７４の側面に設けられた溝８２に係合するピン８４が固定され、溝８２とピン８４によって制御弁７６の軸方向の移動範囲が限定されている。また、制御弁７６は、ばね８６によって排出ポンプ室１８側（図中右方向）に付勢されている。さらに、制御弁７６の軸部分とスリーブ７２の側面には、貫通孔８８，９０が設けられており、これらは、制御弁７６がその可動範囲の左側、つまり排出ポンプ室１８に対して後退する方向に移動したときに連通して流路が形成される。
【００２１】
排出ポンプ側流体圧駆動室６０の圧力が所定値以上に高まると、エア抜き弁６４からエアと共に作動流体が流出し、これによって駆動室６０の作動流体の量は徐々に減少する。一方で、作動流体の減少によりダイアフラム５６は徐々に制御弁７６に接近するようになり、ついにはこれに当接する。制御弁７６はダイアフラム５６に押されると、図中左方向に移動し、貫通孔８８，９０が連通した状態となる。リザーバ６６の圧力が排出ポンプ側流体圧駆動室６０の圧力よりも所定値以上高くなると、ボール弁７２が通路８０を開放し、作動流体が流体圧駆動室６０に流入する。これにより、制御弁７６は再び右方向に移動する。
【００２２】
ポンプ装置５０の、原料流体の供給にかかる動作は、前述のポンプ装置１０と同様である。すなわち、第１ないし第４開閉弁３８，４０，４２，４４および加圧プランジャ３２を図２ないし図４およびこれらの図に対応する説明と同様に動作して、原料流体の加圧、供給を実行する。ポンプ装置５０によれば、ポンプ装置１０と同様に、エネルギ効率の向上、加圧プランジャおよびこれの駆動機構の小型化が図れる。また、ダイアフラム５４，５６により、原料流体と生成流体が完全に分離され、これらが混合することを防止することができる。また、差動プランジャ５２に対して、原料流体および生成流体共に接触することがなく、差動プランジャ５２そのもの、およびシール部材などを損耗する可能性のある流体を取り扱う場合にも好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のポンプ装置およびこれを用いたプラントの概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態のポンプ装置の動作説明図である。
【図３】本実施形態のポンプ装置の動作説明図である。
【図４】本実施形態のポンプ装置の動作説明図である。
【図５】他の実施形態のポンプ装置の概略構成を示す図である。
【図６】図５のポンプ装置の一部を詳細に示した図である。
【符号の説明】
１０，５０　ポンプ装置、１２　原料流体槽、１４　高圧反応容器、１６　加圧ポンプ室、１８　排出ポンプ室、２０　差動シリンダ、２２　差動プランジャ、３２　加圧プランジャ、３８　第１開閉弁、４０　第２開閉弁、４２　第３開閉弁、４４　第４開閉弁、５４，５６　ダイアフラム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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