(57)【要約】適応ポンプ段を有する遠心ポンプは、運動エネルギーを提供して前記ポンプを通って流体を流すように構成されたインペラを含む。インペラは、複数の幾何寸法を有する。当該ポンプは、インペラに関連付けられてそのインペラによって提供された運動エネルギーを静圧エネルギーに変換してポンプを通って流体を流すディフューザを含む。当該ポンプは、インペラに取り付けられてポンプの運転中に幾何寸法を変えてポンプを通る流体流）を変える適応材料を含む。
2020502427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプであって；
運動エネルギーを提供して前記ポンプを通って流体を流すように構成され、複数の幾何寸法を有するインペラと；
前記インペラに関連付けられて、前記インペラによって提供された前記運動エネルギーを静圧エネルギーに変換して前記ポンプを通って前記流体を流すように構成されたディフューザと；
前記インペラに取り付けられた適応材料であって、前記ポンプの運転中に、前記複数の幾何寸法のうちの少なくとも一つの幾何寸法を変えて前記ポンプを通る流体流を変えるように構成された適応材料と；を備える、
ポンプ。
【請求項２】
前記複数の幾何寸法は、インペラの外径と、インペラブレード後縁角度とを含む、
請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記インペラは、インペラブレード後縁角度を有するインペラブレードを備え、前記適応材料は、前記ポンプの運転中に前記インペラブレード後縁角度を増減するように構成されている、
請求項１に記載のポンプ。
【請求項４】
前記インペラブレードの前縁部又は後縁部は前記適応材料でできている、
請求項３に記載のポンプ。
【請求項５】
前記インペラブレードの後端領域は前記適応材料でできている、
請求項３に記載のポンプ。
【請求項６】
前記適応材料は、応力、温度、湿度、ｐＨ、電場又は磁場のうちの少なくとも１つを含む外部刺激に応じて変化するよう構成された特性を備える、
請求項１に記載のポンプ。
【請求項７】
前記適応材料は、外部刺激に応じて前記幾何寸法を変えるように構成された、圧電材料、磁歪材料、又は形状記憶材料を備える、
請求項１に記載のポンプ。
【請求項８】
前記インペラに接続され、前記幾何寸法を変えるために電荷を提供するように構成された電荷源を備える、
請求項１に記載のポンプ。
【請求項９】
前記インペラに接続され、前記幾何寸法を変えるために磁場を提供するように構成された磁場源を備える、
請求項１に記載のポンプ。
【請求項１０】
前記適応材料が前記幾何寸法を変える、前記ポンプの運転中のポンプ条件は、前記ポンプの前記運転中のポンプ温度を含む、
請求項１に記載のポンプ。
【請求項１１】
前記適応材料は、ｐＨ感受性ポリマ、温度応答性ポリマ、磁性流体、電気活性ポリマ、及び熱電材料、のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１に記載のポンプ。
【請求項１２】
前記インペラは第１のインペラであり、前記ディフューザは第１のディフューザであり、前記第１のインペラと前記第１のディフューザとが第１のポンプ段を形成し、前記ポンプは前記第１のポンプ段と直列に接続される第２のポンプ段を更に備え、前記第２のポンプ段は：
運動エネルギーを提供して前記ポンプを通って流体を流すように構成され、複数の幾何寸法を有する第２のインペラと；
前記第２のインペラに関連付けられて、前記第２のインペラによって提供された前記運動エネルギーを静圧エネルギーに変換して前記ポンプを通って前記流体を流すように構成された第２のディフューザと；を備える、
請求項１に記載のポンプ。
【請求項１３】
前記第２のポンプ段は適応材料を含まない、
請求項１２に記載のポンプ。
【請求項１４】
前記ディフューザに取り付けられた適応材料を更に備え、前記ディフューザに取り付けられた前記適応材料は、前記ポンプの運転中に、前記ディフューザの幾何寸法を変えて前記ポンプを通る流体流を変えるように構成されている、
請求項１に記載のポンプ。
【請求項１５】
ポンプのインペラに適応材料を取り付けるステップを備え、前記インペラは運動エネルギーを提供して前記ポンプを通って流体を流すように構成されていると共に複数の幾何寸法を有し、前記適応材料は前記ポンプの運転中に前記複数の幾何寸法のうちの少なくとも一つの幾何寸法を変えて前記ポンプを通る流体流を変えるように構成され、前記インペラは、前記インペラによって提供された前記運動エネルギーを静圧エネルギーに変換して前記ポンプを通って前記流体を流すように構成されたディフューザに関連付けられており；
前記ポンプの前記運転中に前記適応材料を作動させて前記インペラの前記幾何寸法を変えるステップを更に備える；
方法。
【請求項１６】
前記複数の幾何寸法は、インペラの外径と、インペラブレード後縁角度とを含む、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記インペラは、インペラブレード後縁角度を有するインペラブレードを備え、前記適応材料は、前記ポンプの運転中に前記インペラブレード後縁角度を増減するように構成されている、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記インペラは、インペラブレード前縁角度を有するインペラブレードを備え、前記適応材料は、前記ポンプの運転中に前記インペラブレード前縁角度を増減するように構成されている、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ディフューザは、ディフューザブレード後縁角度を有するディフューザブレードを備え、前記適応材料は、前記ポンプの運転中に前記ディフューザブレード後縁角度を増減するように構成されている、
請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記ディフューザは、ディフューザブレード前縁角度を有するディフューザブレードを備え、前記適応材料は、前記ポンプの運転中に前記ディフューザブレード前縁角度を増減するように構成されている、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記適応材料は、温度に応じて変化するように構成された特性を備える、
請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記適応材料は、前記ポンプの運転中のポンプ条件に応じて変化するように構成された特性を備える、
請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記適応材料は、外部刺激に応じて前記幾何寸法を変えるように構成された、圧電材料、磁歪材料、又は形状記憶材料を備える、
請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記適応材料は、ｐＨ感受性ポリマ、温度応答性ポリマ、磁性流体、電気活性ポリマ、及び熱電材料、のうちの少なくとも１つを含む、
請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ポンプの前記運転中に前記適応材料を作動させて前記インペラの前記幾何寸法を変えるステップは、前記適応材料に電荷又は磁場を印加して前記幾何寸法を変えるステップを備える、
請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１７年１２月２１日に出願された「適応ポンプ段を有する遠心ポンプ」という名称の米国特許出願第６２／４３７，２４９号及び２０１７年７月１０日に出願された「適応ポンプ段を有する遠心ポンプ」という名称の米国特許出願第１５／６４５，８３９号に基づく優先権を主張し、当該米国特許出願のすべての記載内容を援用する。
【０００２】
本開示はポンプ、例えば遠心ポンプに関する。
【背景技術】
【０００３】
遠心ポンプは、回転運動エネルギーを流体力学エネルギーに変換することによって、輸送される流体の圧力を高める。このエネルギーは、外置きのエンジン又は電動機、により提供される。
【０００４】
遠心ポンプは、その物理的な大きさが、船舶、坑井、又は、公共（自治体）水道システム等、据付面積が限られた場所で役立てることができ効率的である。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、適応ポンプ段を有する遠心ポンプを説明する。
【０００６】
本開示で説明する主題の例示の実施は、以下の特徴を有するポンプである。インペラは、運動エネルギーを提供して前記ポンプを通って流体を流す。前記インペラは、複数の幾何寸法を有する。ディフューザは前記インペラに関連付けられている。前記ディフューザは、前記インペラによって提供された前記運動エネルギーを静圧エネルギーに変換して前記ポンプを通って前記流体を流す。適応材料は前記インペラに取り付けられている。前記適応材料は、前記ポンプの運転中に、前記ポンプを通る流体流（流体の流れ）を変えるために、前記複数の幾何寸法のうちの少なくとも一つの幾何寸法を変えることができる。
【０００７】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。前記幾何寸法は、インペラの外径と、インペラブレード後縁角度とを含む。
【０００８】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。前記インペラは、インペラブレード後縁角度を有するインペラブレードを含む。前記適応材料は、前記ポンプの運転中に前記インペラブレード後縁角度を増減するように構成されている。
【０００９】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。前記インペラブレードの前縁部又は後縁部は前記適応材料でできている。
【００１０】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。前記インペラブレードの後端領域は前記適応材料でできている。
【００１１】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。前記適応材料は、応力、温度、湿度、ｐＨ、電場又は磁場のうちの少なくとも１つを含む外部刺激に応じて変化するよう構成された特性を備える。
【００１２】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。前記適応材料は、外部刺激に応じて前記幾何寸法を変えるように構成された、圧電材料、磁歪材料、又は形状記憶材料を含む。
【００１３】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。電荷源が前記インペラに接続されている。電荷源は、前記幾何寸法を変えるために電荷を提供する。
【００１４】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。磁場源が前記インペラに接続されている。磁場源は、前記幾何寸法を変えるために磁場を提供する。
【００１５】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。前記適応材料が前記幾何寸法を変える、前記ポンプの運転中のポンプ条件は、前記ポンプの前記運転中のポンプ温度を含む。
【００１６】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。前記適応材料は、ｐＨ感受性ポリマ、温度応答性ポリマ、磁性流体、電気活性ポリマ、及び熱電材料、のうちの少なくとも１つを含む。
【００１７】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。前記インペラは第１のインペラであり、前記ディフューザは第１のディフューザであり、前記第１のインペラと前記第１のディフューザとが第１のポンプ段を形成し、前記ポンプは前記第１のポンプ段と直列に接続される第２のポンプ段を更に含む。前記第２のポンプ段は、運動エネルギーを提供して前記ポンプを通って流体を流す第２のインペラを含む。前記第２のインペラは、複数の幾何寸法を有する。第２のディフューザは第２のインペラに関連付けられている。前記第２のディフューザは、前記第２のインペラによって提供された前記運動エネルギーを静圧エネルギーに変換して前記ポンプを通って前記流体を流す。
【００１８】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。前記第２のポンプ段は適応材料を含まない。
【００１９】
前記例示の実施に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の実施の態様は、下記の事項を含む。適応材料が前記ディフューザに取り付けられている。前記ディフューザに取り付けられた前記適応材料は、前記ポンプを通る流体流（流体の流れ）を変えるために、前記ポンプの運転中に、前記ディフューザの幾何寸法を変えるように構成されている。
【００２０】
本開示で説明する主題の例示の実施は、以下の特徴を有する方法である。適応材料をポンプのインペラに取り付ける。前記インペラは運動エネルギーを提供して前記ポンプを通って流体を流す。前記インペラは複数の幾何寸法を有する。前記適応材料は、前記ポンプの運転中に幾何寸法を変えて前記ポンプを通る流体流（流体の流れ）を変えるように構成されている。前記インペラは、前記インペラによって提供された前記運動エネルギーを静圧エネルギーに変換して前記ポンプを通って前記流体を流すディフューザに関連付けられている。前記適応材料は、前記ポンプの前記運転中に作動して前記インペラの前記幾何寸法を変える。
【００２１】
前記例示の方法に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の方法の態様は、下記の事項を含む。前記幾何寸法は、インペラの外径と、インペラブレード後縁角度とを含む。
【００２２】
前記例示の方法に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の方法の態様は、下記の事項を含む。前記インペラは、インペラブレード後縁角度を有するインペラブレードを含む。前記適応材料は、前記ポンプの運転中に前記インペラブレード後縁角度を増減するように構成されている。
【００２３】
前記例示の方法に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の方法の態様は、下記の事項を含む。前記インペラは、インペラブレード前縁角度を有するインペラブレードを含む。前記適応材料は、前記ポンプの運転中に前記インペラブレード前縁角度を増減するように構成されている。
【００２４】
前記例示の方法に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の方法の態様は、下記の事項を含む。前記ディフューザは、ディフューザブレード後縁角度を有するディフューザブレードを含む。前記適応材料は、前記ポンプの運転中に前記ディフューザブレード後縁角度を増減するように構成されている。
【００２５】
前記例示の方法に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の方法の態様は、下記の事項を含む。前記インペラは、ディフューザブレード前縁角度を有するディフューザブレードを含む。前記適応材料は、前記ポンプの運転中に前記ディフューザブレード前縁角度を増減するように構成されている。
【００２６】
前記例示の方法に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の方法の態様は、下記の事項を含む。前記適応材料は、温度に応じて変化する特性を含む。
【００２７】
前記例示の方法に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の方法の態様は、下記の事項を含む。前記適応材料は、前記ポンプの運転中のポンプ条件に応じて変化する特性を含む。
【００２８】
前記例示の方法に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の方法の態様は、下記の事項を含む。前記適応材料は、外部刺激に応じて前記幾何寸法を変えるように構成された、圧電材料、磁歪材料、又は形状記憶材料を含む。
【００２９】
前記例示の方法に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の方法の態様は、下記の事項を含む。前記適応材料は、ｐＨ感受性ポリマ、温度応答性ポリマ、磁性流体、電気活性ポリマ、及び熱電材料、のうちの少なくとも１つを含む。
【００３０】
前記例示の方法に対して単独又は併用して組み合わせることができる例示の方法の態様は、下記の事項を含む。前記ポンプの前記運転中に前記適応材料を作動させて前記インペラの前記幾何寸法を変えるステップは、前記適応材料に電荷又は磁場を印加して前記幾何寸法を変えるステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】例示の適応可能な遠心ポンプ段の概略図である。
【図１Ｂ】例示の適応可能な遠心ポンプ段の概略図である。
【図２】適応段の無い遠心ポンプの性能マップの例示の図である。
【図３】適応可能な段を有する遠心ポンプの性能マップの例示の図である。
【図４Ａ】ポンプインペラ及びディフューザの例の概略図である。
【図４Ｂ】温度応答性材料を利用した、適応可能なポンプインペラ及び適応可能なディフューザの例の概略図である。
【図４Ｃ】温度応答性材料を利用した、適応可能なポンプインペラの例の概略図である。
【図５】適応可能なポンプ段を製造する工程の例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
異なる図面における同様の符号は同様の要素を示す。
遠心ポンプはポンプ段を含み、各ポンプ段は、回転する１枚のインペラと、インペラの下流側に１組の静止翼（ベーン）を有するディフューザとから構成される遠心ポンプの区画（複数）として画成されている。流体は、入口に入ってインペラの中心に向かい、ブレードに沿って流れ、ここで、流体は半径方向外方へ加速されてディフューザへ入り、ディフューザは回転エネルギーを圧力に変換する。このインペラによりポンプ性能が決まる。インペラの速度と幾何形状、すなわち、ブレードの直径、個数、形状、並びに、入口及び出口の幅により、作動点、揚程、及び効率が決まる。ポンプ異形品は、インペラの幾何形状をわずかに改変して作成することが多い。
【００３３】
遠心ポンプは狭い運転範囲に合わせて設計され、大きさが決められている。遠心ポンプの設計時に考慮に入れる工程パラメータとして、例えば、流量、揚程、吸込圧力、吐出圧力、粘度、砥材（研磨材）含有量、腐食性、動力、比重等、多くが挙げられる。工程内でこれらパラメータの１つが大幅に変化した場合、進行中の工程条件に合わせてポンプ運転を調整する必要がある。
【００３４】
本開示は、適応可能なインペラ、適応可能なディフューザ、又はその両方を含む適応可能なポンプ段を有する遠心ポンプについて述べる。ポンプ段の適応性は、自ら作動可能な適応材料、又は、外部刺激で作動可能な適応材料を通じて達成できる。この適応性により、ポンプが、広い運転範囲のための最適出力効率を含む変化している工程条件に良好に適合するように、及び流体密度の変化に良好に応答するように、調節されたポンプ曲線を有することが可能になる。
【００３５】
図１Ａは、例示の適応可能な遠心ポンプ段１００を示す。ポンプインペラ１０２は、その表面に、一組の軸対称インペラ翼１０４を有する。翼は前縁１０６と後縁１０８を有する。ポンプインペラ１０２上の翼は、第１の幾何形状１１０から第２の幾何形状１１２まで調整可能である。ポンプインペラ１０２上のインペラ翼１０４は、第１の幾何形状１１０と第２の幾何形状１１２との間の任意の位置に調整することができる。インペラ１０２全体は、その中心を通る軸線を中心に回転する。流体は、ポンプの吸込位置にある小穴（アイ）１１４を通ってインペラに入る。ディフューザ１１６（インペラ１０２の外側にリングとして実装され、この図では説明のために示されている）は、静止しており、インペラ１０２から流出する流体の方向付けを支援する。ディフューザ１１６は、インペラ１０２上のインペラ翼１０４と同様のディフューザ翼１１８（複数）を有する。ディフューザ翼１１８は、第１の幾何形状１２０から第２の幾何形状１２２まで向きを変えることができる。ポンプディフューザ１１６上のディフューザ翼１１８は、第１の幾何形状１２０と第２の幾何形状１２２との間の任意の位置に調整することができる。ディフューザ翼１１８の幾何形状は、インペラ翼１０４の幾何形状と対になって（共役して）いる。すなわち、インペラ翼が第１の幾何形状１１０から第２の幾何形状１１２へ移行するとともに、ディフューザ翼も第１の幾何形状１２０から第２の幾何形状１２２へ移行する。これにより、ディフューザ１１６は、確実に、インペラ１０２から出てくる流れを適切に方向転換させる。図１Ａに示す実施では、インペラ１０２の回転方向１３０は反時計回りであり、他方、ディフューザ１１６は静止したままである。ポンプ段１００は、両幾何形状間の移行を開始させるために適応材料に刺激を与える電荷源及びコントローラ（制御装置）を含んでもよい。
【００３６】
図１Ｂは、図１Ａに示す図を更に説明するための、θ−ｚ面におけるインペラ及びディフューザブレードの軸方向に見た図である。インペラ翼１０４は、図の左側に向かう運動方向１３０と共に示されており、他方、ディフューザ翼１１８は、静止状態として示されている。インペラ流体流２１６は、インペラの小穴１１４からディフューザに向かって外向きに流れる。その後、流体はディフューザ１１６へ進み、そこでディフューザ流体流１２８は半径方向内向きに流れると共に軸線方向にも流れ、そして下流にある次のインペラ又はポンプ吐出口に向けられる。実施によっては、渦巻きを用いて流体流をポンプ吐出口へ向けることができる。
【００３７】
図２は、適応可能なポンプ段の無い遠心ポンプの例示の性能マップ２００を示す。Ｘ軸は流量（Ｑ）であり、Ｙ軸は揚程（Ｈ）であり、揚程はポンプで上げることができる流体柱（カラム）の全高である。揚程の単位は、一般に、フィートやメートルなどの長さの単位で与えられる。ポンプ曲線２０２は、所与の揚程に対して出力されるポンプ流量を示し、逆もまた然りである。効率曲線２０４は、所与の流量におけるポンプ効率を示す。効率曲線は、ポンプ曲線と共に表示されることが多く、Ｙ軸はパーセント表示である。パーセントは、インペラに供給された力学的エネルギーのうちどれだけが液圧エネルギーに変換されたかを示す指標である。ポンプは、最高効率点（ＢＥＰ）２０６で最も効率的であるが、ポンプの製造仕様によっては、ＢＥＰ２０６から一定の（流量）パーセント外した状態で運転する。
【００３８】
ＢＥＰ２０６付近で遠心ポンプを運転することは様々な理由から好ましい。ポンプがＢＥＰ２０６から遠ざかるにつれて、流体に与えられた運動エネルギーから変換される液圧エネルギーは少なくなり、熱への変換が多くなってゆく。この過剰な熱が原因で、ポンプに対する磨耗が加速し、平均故障間隔（ＭＴＢＦ）は短くなる。発熱に加えて、ポンプをＢＥＰから遠ざけて運転するとキャビテーションが発生し、所要電力が増え、スラスト荷重及びラジアル荷重が増大し、ポンプ内で振動問題が発生する可能性がある。これらすべての問題は、ＭＴＢＦを短くし、運転コストを高める可能性がある。
【００３９】
図３は、適応可能なポンプ段を有する遠心ポンプの例示の性能マップ３００を示す。図２と同様に、Ｘ軸は流量（Ｑ）であり、Ｙ軸は揚程（Ｈ）である。ポンプ曲線３０２は、所与の揚程に対して出力されるポンプ流量を示し、逆もまた然りである。効率曲線３０４は、所与の流量におけるポンプの効率を示す。性能マップ２００によって表されるポンプとは異なり、性能マップ３００によって表されるポンプでは、効率曲線３０４にピークが無く、最高効率範囲（ＢＥＲ）３０６がある。
【００４０】
ポンプ曲線３０２はポンプ曲線２０２よりも平らであり、これは、適応可能なポンプが、ほぼ一定の揚程で様々な流量を提供できることを意味する。言い換えれば、ＢＥＲ３０６範囲内でポンプを運転することにより、たとえ流量がポンプ吸込時に変化しても、ポンプは一定の揚程で下流工程へ流体を送ることが可能になる。このような能力は、流量が変動すると共に坑井がスラグだと知られている石油生産用途で有用である。加えて、性能マップ３００の効率曲線は、性能マップ２００の効率曲線よりも広く、このことが、ポンプのＭＴＢＦの短縮化の原因である典型的な問題を被ることなく、ポンプに比較的広い運転可能範囲を与える。
【００４１】
インペラ１０２上のインペラ翼１０４を幾何形状１１０から幾何形状１１２までのばしていくことにより、インペラ及びディフューザブレード角度を変化させ、それに対応して揚程が増加し、ポンプ曲線は平らになる。効率曲線は、インペラ出口ブレード角度及びディフューザ入口ブレード入口角度が変わるたびに変化（シフト）する。効率曲線３０８は、例えば第１のインペラ幾何形状１１０及び第１のディフューザ幾何形状１２０における効率を示し、他方、効率曲線３１０は、例えば第２のインペラ幾何形状１１２及び第２のディフューザ幾何形状１２２における効率を示す。インペラ幾何形状が第１の幾何形状１１０から第２の幾何形状１１２まで作動すると、効率曲線も同様にシフトする。効率曲線３０４は、基本的に、幾何形状１１０から幾何形状１１２まで変化できる翼１０４を有する適応可能なインペラ１０２のすべての可能な効率曲線の合成である。ポンプインペラ翼１０４が作動すると、同じポンプ段のディフューザも作動して、広範囲の流量にわたってポンプ効率を維持する。
【００４２】
適応ポンプインペラは、鋼などのインペラ材料と、形状記憶ポリマ（ＳＭＰ）又は形状記憶合金（ＳＭＡ）などの形状記憶材料（ＳＭＭ）との組み合わせを用いて作ることができる。ＳＭＰは、外部刺激、トリガ（要因）、活性化、又は作動を使って大きな変形を誘発及び復元できる材料である。そのような活性化は、熱的、光的、磁気的、又は電気的な効果に由来するものであり得る。
【００４３】
ＳＭＰが熱変化によって活性化される実施において、ＳＭＰは、最初に、望ましい永続的な形状に設計及び製作される。製作は、成形及び硬化を含む様々な方法で行うことができる。当該部品の最初の製作後に、望ましい一時的な形状に加工される。
【００４４】
最初の製作では、製造された永続的な形状は、ＳＭＰのガラス転移温度（Ｔｇ）を超えて加熱される。続いて、ＳＭＰに荷重をかけて、ＳＭＰを目標である一時的な形状に変形させる。ＳＭＰがまだ一時的な形状で荷重をかけられた状態又は拘束された状態で、ガラス転移温度（Ｔｇ）以下、例えば室温近くまで冷却する。室温に達した後、荷重又は拘束を解き、ＳＭＰをこの一時的な形状に保持する。適応ポンプ段１００が組み立てられたとき、インペラの適応ブレードはこの一時的な形状を有する。一方向形状記憶効果で設計及び製造されたＳＭＰの場合、一時的な形状がＳＭＰのガラス転移温度を超える温度に加熱されると、ＳＭＰはその永続的な形状へ変形する。双方向形状記憶効果で設計及び製造されたＳＭＰの場合、一時的な形状がＳＭＰのガラス転移温度を超える温度に加熱されると、ＳＭＰはその永続的な形状へ変形する。しかし、ＳＭＰをガラス転移温度以下に冷却すると、ＳＭＰは一時的な形状に戻る。
【００４５】
先に開示したように、ＳＭＭの別の例はＳＭＡであり、これはＳＭＰと同様の特性を持つ金属合金であり、一方向及び双方向形状記憶効果を呈する。双方向記憶を持つＳＭＡは、設計された永続的な形状がＳＭＡの変態温度を超える高温で一時的な形状に成形されるように製造することができる。ＳＭＡは、冷却すると、その一時的な形状を保持する。変態点以上に加熱されると、永続的な形状に戻る。転移温度以下に冷却すると、一時的な形状に戻る。ＳＭＡは、ポンプ組み立て時には一時的な形状をしている。
【００４６】
インペラ及びディフューザのブレードは、シュラウド（覆い）内へ収納することができる。上シュラウドはブレードの上部と接触しており、下シュラウドはブレードの下部と接触している。図４Ａは、互いに隣接するインペラ４０２の出口領域及びディフューザ４１２の入口領域のｚ−ｒ面を横切る側面図を示す。図示の実施では、インペラ４０２はクローズドインペラである。インペラ４０２は、インペラ上シュラウド４０４とインペラ下シュラウド４０６とを含む。インペラ上シュラウド４０４とインペラ下シュラウド４０６との間には、インペラブレード４０８がある。インペラ上シュラウド４０４及びインペラ下シュラウド４０６は、インペラ小穴４２４（図４Ｃに示す）からインペラ出口を通ってディフューザ４１２に向かって流れる流体流４１０を囲む。図示の実施では、ディフューザ４１２はクローズドディフューザである。ディフューザ４１２は、ディフューザ上シュラウド４１４とディフューザ下シュラウド４１６とを含む。ディフューザ上シュラウド４１４とディフューザ下シュラウド４１６との間には、ディフューザブレード４１８がある。ディフューザ上シュラウド４１４及びディフューザ下シュラウド４０６は、インペラ４０２から下流の別のインペラ（不図示）又はポンプ吐出口（不図示）に至る流路を囲む。
【００４７】
実施によっては、図４Ｂに示す実施のように、インペラブレード４２８又はディフューザブレード４３８のいずれかの一部分のみがＳＭＭから形成されている。実施によっては、インペラブレードの静止部分４２８ａは、インペラ小穴４２４（図４Ｃ）から、インペラ小穴４２４（図４Ｃ）とインペラ４０２の外径との間の半径まで延びている。インペラブレードの可動部分４２８ｂは、インペラブレードの静止部分４２８ａの外縁からインペラ４０２の外縁まで延びている。実施によっては、インペラブレードの外側先端部は、インペラの外縁部を越えて延びていてもよく、あるいはインペラの外縁部まで完全には延びていなくてもよい。インペラブレードの可動部分４２８ｂには、インペラブレードノッチ４３４内に延びるインペラブレードタブ４３２がある。インペラブレードノッチ４３４は、インペラ下シュラウド４０６内に形成されており、インペラブレードタブ４３２を受け入れるように構成されている。
【００４８】
図４Ｂに示すディフューザ４１２は、インペラ４０２と同様のブレード配置を有する。ディフューザ４１２の入口の直径とインペラ４０２の出口の直径とは、実質的に同じであり得る。ディフューザ４１２の出口の直径は、ディフューザ４１２の入口の直径より小さくてもよい。図示の実施では、ディフューザブレードの静止部分４３８ａは、ディフューザ４１２の内縁から、ディフューザ４１２の内縁とディフューザ４１２の外径との間の半径まで延びている。ディフューザブレードの可動部分４３８ｂは、ディフューザブレードの静止部分４３８ａの外縁からディフューザ４１２の外縁まで延びている。実施によっては、ディフューザブレードの外側先端部は、ディフューザの外縁部を越えて延びていてもよく、あるいはディフューザの外側縁部まで完全には延びていなくてもよい。ディフューザブレードの可動部分４３８ｂは、ディフューザブレードノッチ４４４内に延びるディフューザブレードタブ４４２を有する。ディフューザブレードノッチ４４４は、ディフューザ下シュラウド４１６内に形成されており、ディフューザブレードタブ４４２を受け入れるように構成されている。
【００４９】
インペラブレードの可動部分４２８ｂと、上部インペラシュラウド４０４若しくは下部インペラシュラウド４０６のいずれか一方又は両方との間に、インペラエラストマ材料４３０があってもよい。エラストマ材料４３０は、ポンプ効率の維持を支援するために１つのブレードキャビティから別のキャビティへの流体の移動を防ぐためのシールとして機能し、シュラウドとインペラブレードの可動部分４２８ｂとの両方に取り付けられている。エラストマ材料４３０は、インペラブレードの可動部分４２８ｂが第１の幾何形状４２０から第２の幾何形状４２２（図４Ｃ）へ移行するときにそのシール能力を維持するのに十分な可撓性がある。ディフューザブレードの可動部分４３８ｂと、上側ディフューザシュラウド４１４若しくは下側ディフューザシュラウド４１６のいずれか一方又は両方との間に、ディフューザエラストマ材料４４０が存在し得る。ディフューザエラストマ材料４４０は、ディフューザ内のポンプ効率を維持するのを支援するために、一方のブレードキャビティから他方のブレードキャビティへの流体の移動を防止するためのシールとして機能する。ディフューザエラストマ材料４４０は、ディフューザブレードの可動部分４３８ｂが第１の幾何形状から第２の幾何形状へ移行するときにそのシール能力を維持するのに、十分な可撓性がある。
【００５０】
図４Ｃは、単一のインペラブレード４０８を有するインペラ４０２の横断上面図を示す。インペラブレード４０８は、インペラブレードの静止部分４２８ａとインペラブレードの可動部分４２８ｂとの両方を含む。インペラブレードの可動部分４２８ｂは、ＳＭＭで構成されており、第１の幾何形状４２０から第２の幾何形状４２２へ移行できる。インペラノッチ４３４は、第１の幾何形状４２０と第２の幾何形状４２２との間でインペラブレードの可動部分４２８ｂを案内する。実施によっては、上部インペラノッチを、インペラノッチ４３４に加えて、又はその代わりに、上部インペラシュラウド４０４に含むことができる。先に述べたように、インペラブレードの幾何形状の変化は、ポンプ効率を維持するためにディフューザブレードの幾何形状の変化を伴ってもよい。実施によっては、上部ディフューザノッチを、ディフューザノッチ４４４に加えて、又はその代わりに、上部ディフューザシュラウド４１４に含むことができる。ＳＭＭは、工程流体の熱的変化によって作動させることができる。
【００５１】
ダウンホール油田用途では、所与の回転速度及びＢＥＰで運転するポンプについて、ポンプ流量が増加すると、図２に示すように、効率だけでなくポンプ揚程も低くなる。効率の低下は、ポンプ液圧動力の一部を熱に変換することによって対応するポンプ温度の上昇を引き起こす。熱の増加はポンプ温度を上昇させる。温度が上昇する前は、適応可能なインペラブレード４２８及び適応可能なディフューザブレード４３８の形状は、図４Ｃに示す第１の幾何形状４２０のような一時的な形状である。ＳＭＭの温度がＴｇを超えると、適応可能なインペラブレード４２８は、９０°未満、例えば６０°の出口ブレード角度を持つ一時的な形状位置（第１の幾何形状４２０）から、最大９０°の出口ブレード角度を持つ永続的な形状位置まで、インペラ下シュラウド４０６上の円周湾曲経路に沿ってインペラノッチ４３４内を摺動する。先に述べたように、ディフューザ入口ブレード４３８の角度を、インペラ４０２からの流れを受け入れるために、適切に位置合わせする必要がある。インペラ出口とディフューザ入口とは近接しているため、温度は両セットのブレードで同じである。その結果、適応ディフューザブレード４３８の対応する入口ブレード角度も、その一時的な形状（第１の幾何形状）から永続的な形状（第２の幾何形状）へと変化する。ブレード角度が大きくなるとポンプの揚程は大きくなり、それによって油圧動力と、それに対応するポンプの効率とが向上する。効率が回復し、一旦ポンプ温度がＳＭＭのＴｇを下回ると、ブレードの適応部分は永続的な形状から一時的な形状に戻る。これは、インペラのブレード出口角度の減少を引き起こし、対応する揚程を減らし、ポンプ効率を減らす。したがって、ＳＭＭの双方向形状記憶効果によって、ブレードの変化が運転上の要求に適応することができる。
【００５２】
適応ポンプ段に利用できる多くの適応材料がある。その例として、圧電材料、磁歪材料、形状記憶合金、形状記憶ポリマ、ｐＨ感受性ポリマ、温度応答性ポリマ、磁性流体（磁気粘性流体）、電気活性ポリマ、熱電材料などが挙げられる。適応ポンプ段の望ましい性能を達成するために、これらの材料はいずれも単独又は任意の組み合わせで使用することができる。
【００５３】
圧電材料は、応力がかかると電荷を発生する。この効果も可逆的であり、電圧が印加されると材料は変形する。圧電材料は、電圧信号が電荷源及びコントローラから印加されたときに、特定の区画を曲げ、膨張させ、又は収縮させるように適応段を構築するために用いることができる。実施によっては、ブレードの先端領域又は後端領域を圧電材料製とし、これを、ポンプ入口に配置した制御圧電表面によって生成される電圧信号を利用して能動的に調整することができる。そのような設計により、流量、砂、又は流体中のその他のデブリ（破片や瓦礫）の関数としてブレード形状を自動調整する能力を、ポンプ段に提供する。
【００５４】
電気活性ポリマは、電場によって刺激されると大きさ又は形状の変化を示す。電気活性ポリマは、圧電材料で述べた用途と同様な用途に使用することができる。インペラは、適応材料が電気活性ポリマを含む図４Ｃのインペラと同様の外形とすることができる。
【００５５】
熱電材料は、温度差を電気に変換する（逆もまた同様）装置を作るために使われる。熱電材料を圧電材料と組み合わせれば、流体温度の変化に伴う性能の変化を達成することができる。インペラは、電荷源及びコントローラがその構成において熱電材料を利用できる図４Ｃのインペラと同様の外形とすることができる。
【００５６】
磁歪材料は、磁場が印加されると形状を変化させる。本開示の別の実施は、磁歪材料製のブレードの先端領域と後端領域とを有し、ポンプのハウジング内に配置された外部電磁石を用いて能動的に調整することができる。電磁石は、同じＥＳＰケーブルを用いて坑井の表面から電力が供給され、モータの電圧又は周波数を使って制御され得る。制御信号も、電力と共にダウンホール制御ボックスへ送信することができる。
【００５７】
磁性流体は、磁力にさらされたときに流体状態から固体に近い状態に変化する流体である。磁性流体は、磁歪材料で述べた用途と同様な用途に使用することができる。磁性流体は流体であることから、他の材料と組み合わせて用いることができる。磁気刺激を提供するコントローラを用いて、磁歪材料、磁性流体、又はその両方を制御することがきる。インペラは、適応材料が磁歪材料又は磁性流体を含む図４Ｃのインペラと同様の外形とすることができる。
【００５８】
形状記憶合金及び形状記憶ポリマは、温度又は応力の変化によって大きな変形が引き起こされ、復元可能な材料である。本開示の別の実施は、形状記憶材料製のブレードの先端領域又は後端領域を有し、インペラの温度の変化を利用して能動的に調整することができる。インペラの温度変化は、流量変化、流体密度変化、ガススラッギング（スラグ化）、又は他の工程関連変化による結果である可能性がある。そのような実施では、記憶材料の変化は、温度の変化がブレードの前又は後の角度を変えて異なる作動条件に対して最適な揚力及び電力効率を達成するように、設計される。インペラは、適応材料が形状記憶合金、形状記憶ポリマ、又はその両方を含む図４Ｃのインペラと同様の外形とすることができる。
【００５９】
ある種のポリマはｐＨ感受性であり、例えば周囲の媒体のｐＨが変化すると体積が変化する。そのような適応材料を用いて、特定の化学物質、例えば塩、アスファルテン、及びパラフィン、の存在下でポンプ性能を変えることができる。インペラは、適応材料がｐＨ感受性ポリマを含む図４Ｃのインペラと同様の外形とすることができる。
【００６０】
温度応答性ポリマは、温度と共に変化する材料である。温度応答性ポリマは、形状記憶材料で述べた用途と同様な用途に使用することができる。インペラは、適応材料が温度応答性ポリマを含む図４Ｃのインペラと同様の外形とすることができる。
【００６１】
図５は、適応ポンプ段を有する遠心ポンプを製造及び利用するための方法５００を示している。ステップ５０２で、形状記憶材料を、インペラブレードの少なくとも一部として形成する。ディフューザブレードも同様である。ステップ５０４では、ＳＭＭなどの適応材料をポンプインペラに取り付ける。適応材料も同様にディフューザに取り付けることができる。ディフューザとインペラとは組み合わせてポンプ段となる。ステップ５０６で、ポンプの運転中に適応材料を作動させる。
【００６２】
いくつかの実施について説明してきたが、それにもかかわらず、本開示の主旨及び範囲から逸脱することなく様々な改変を行えることが分かるであろう。例えば、多段ポンプは適応ポンプ段と従来のポンプ段の両方を含むかもしれない。したがって、他の実施は以下の特許請求の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００６３】
１００  ポンプ段
１０２、４０２  インペラ
１０６  前縁
１０８  後縁
１１６、４１２  ディフューザ
４０８、４２８  インペラブレード
４１８、４３８  ディフューザブレード
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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