JP7680337B2

JP7680337B2 - 往復ポンプ

Info

Publication number: JP7680337B2
Application number: JP2021194179A
Authority: JP
Inventors: 會川金; 修一郎本田; 哲司笠谷
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2025-05-20
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: JP2023080698A

Description

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ポンプに関する。

往復ポンプは、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６は、従来の往復ポンプの断面を示す模式図である。図６に示すように、往復ポンプは、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。

米国特許第６５３０７６１号明細書

しかしながら、図６に示す従来の往復ポンプには以下のような問題がある。
第１の問題は、ピストン５０１によって加圧された流体の一部はシール５０３を通ってシリンダ５００外に漏洩することである。特に液化ガス用の往復ポンプでは、シール５０３の摺動熱に起因する液化ガスの気化を低減するために、シール５０３とシリンダ５００との間には微小な漏れ経路があり、ある程度の流体の漏洩を許容する。このため、ピストン５０１の往復に伴い、ピストン５０１によって加圧された流体の一部は、シール５０３を通ってシリンダ５００外に漏洩してしまう。

第２の問題は、流体を吸い込むためにピストン５０１が移動するとき、シリンダ５００内に残留している流体が膨張して、シリンダ５００内の圧力低下を妨げ、流体のシリンダ５００への吸込みを阻害することである。特に、液化ガスの場合、ピストン５０１の移動に伴う流体の膨張・気化が生じやすい。このような流体の膨張がシリンダ５００内で起こると、シリンダ５００内の圧力低下を妨げ、シリンダ５００内に吸い込まれる流体の量が低下する。結果として、往復ポンプの効率が低下してしまう。

そこで、本発明は、シリンダ外に漏洩する流体の量を低減し、かつシリンダ内に流入される流体の量を確保することで効率を向上することができる往復ポンプを提供する。

一態様では、液化ガスを移送するための往復ポンプであって、流入室、リセット室、中間室、および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、前記シリンダの内面と前記ピストンの外面との隙間に配置された第１シール、第２シール、および第３シールと、前記シリンダの吸込み口に連結された吸込み逆止弁と、前記ピストン内を貫通するピストン流路に配置された流入側逆止弁および流出側逆止弁と、前記シリンダの吐出し口に連結された吐出し逆止弁と、前記シリンダの漏れ排出口に連結された漏れ排出逆止弁を備え、前記漏れ排出口は、前記リセット室に連通しており、前記流入室と前記リセット室は、前記第１シールによって仕切られ、前記リセット室と前記中間室は、前記第２シールによって仕切られ、前記中間室と前記加圧室は、前記第３シールによって仕切られ、前記ピストンは、前記ピストン流路と前記中間室とを連通する連通流路を有している、往復ポンプが提供される。

一態様では、前記往復ポンプは、前記ピストンに連結されたピストンロッドと、前記シリンダとの間の隙間を封止する軸封装置をさらに備えている。
一態様では、前記流入室の直径は、前記加圧室の直径よりも大きい。
一態様では、前記流入室、前記リセット室、前記中間室、および前記加圧室は、前記シリンダの長手方向に沿って前記流入室、前記リセット室、前記中間室、および前記加圧室の順に並んでいる。

本発明によれば、第３シールを通じて加圧室から中間室に漏れた流体は、連通流路を通ってピストン流路内の流体に混ざり、ピストンの移動に伴って再び加圧室に送られる。したがって、シリンダ外に漏洩する流体の量が低減される。中間室内の流体の一部は第２シールを通ってリセット室に漏洩するが、リセット室内の流体は漏れ排出口および漏れ排出逆止弁を通ってシリンダ外に排出される。したがって、リセット室内の流体は流入室には流入せず、流入室内の圧力は低く維持される。結果として、ピストンが吸込み動作を行ったときに、意図した量の流体が流入室内に吸い込まれる。このように、ピストンの往復動作により十分な量の流体が吸い込まれ、加圧され、そして移送されるので、往復ポンプの効率が向上される。リセット室から漏れ排出口および漏れ排出逆止弁を通ってシリンダ外に排出される流体の量は微量であるため、往復ポンプの流体移送量は実質的に低下しない。

往復ポンプを備えた液化ガス移送システムの一実施形態を示す模式図である。往復ポンプの一実施形態を示す断面図である。ピストンが下死点に移動した状態を示す断面図である。ピストンが上死点に移動した状態を示す断面図である。往復ポンプの他の実施形態を示す断面図である。従来の往復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。以下に説明する実施形態の往復ポンプは、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。

図１は、往復ポンプを備えた液化ガス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、液化ガス移送システムは、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ポンプ２と、往復ポンプ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の液化ガス入口ポート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内の液化ガスのほとんどは液状であるが、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、リニアモータ、油圧シリンダ、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が往復ポンプ２を駆動すると、往復ポンプ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１４に吐き出す。加圧された液化ガスは液化ガス排出ライン１４を通って貯留タンク１の外部に移送される。

液化ガス移送システムは、往復ポンプ２に連結された漏れ排出ライン１５をさらに備えている。この漏れ排出ライン１５は、後述するように、往復ポンプ２の加圧室から漏れた微量の流体を往復ポンプ２から排出するために設けられている。

図２は、往復ポンプ２の一実施形態を示す断面図である。往復ポンプ２内での液化ガスは、その圧力および／または温度に依存して、液体の状態であったり、あるいは気化したり、あるいは超臨界状態である。したがって、以下の説明において、液化ガスを「流体」と称し、「流体」の状態には、液相、気相、超臨界状態が含まれる。

往復ポンプ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、往復ポンプ２は、流入室２１、リセット室２２、中間室２３、および加圧室２４を内部に有するシリンダ２６と、シリンダ２６内に配置されたピストン３０と、シリンダ２６の内面とピストン３０の外面との隙間に配置された第１シール３１、第２シール３２、および第３シール３３を備えている。ピストン３０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３０は、アクチュエータ５により駆動されて、シリンダ２６内で往復移動する。

第１シール３１、第２シール３２、および第３シール３３は、ピストン３０に保持されており、ピストン３０とともに往復移動する。したがって、シール３１，３２，３３は可動シールである。シール３１，３２，３３の構造は、シリンダ２６の内面とピストン３０の外面との隙間を封止するように構成されている限りにおいて特に限定されないが、例えば、第１シール３１、第２シール３２、および第３シール３３は、樹脂や金属から構成されたシールリングである。

往復ポンプ２は、ピストンロッド１０とシリンダ２６との間の隙間を封止する軸封装置３５をさらに備えている。この軸封装置３５は、シリンダ２６に保持された静止シール装置である。軸封装置３５は、シリンダ２６内の流入室２１に面しており、流入室２１とシリンダ２６の外部（すなわち、図１に示す貯留タンク１の上部の大気部）とを仕切る機能を有する。軸封装置３５の例としては、グランドパッキンが挙げられる。一実施形態では、軸封装置３５は、ピストンロッド１０に保持され、ピストンロッド１０とともに移動可能な可動シールであってもよい。

流入室２１、リセット室２２、中間室２３、および加圧室２４は、ピストン３０とシリンダ２６との間に形成されている。流入室２１、リセット室２２、中間室２３、および加圧室２４は、シリンダ２６の長手方向に沿って流入室２１、リセット室２２、中間室２３、および加圧室２４の順に並んでいる。すなわち、流入室２１はリセット室２２に隣接し、リセット室２２は中間室２３に隣接し、中間室２３は加圧室２４に隣接している。流入室２１とリセット室２２は第１シール３１によって仕切られ、リセット室２２と中間室２３は第２シール３２によって仕切られ、中間室２３と加圧室２４は第３シール３３によって仕切られている。リセット室２２は、第１シール３１と第２シール３２との間に位置し、中間室２３は第２シール３２と第３シール３３との間に位置している。

シリンダ２６は、流体の吸込み口２６Ａと、流体の吐出し口２６Ｂを有している。吸込み口２６Ａは流入室２１に連通し、吐出し口２６Ｂは加圧室２４に連通している。ピストン３０は、その内部を貫通して延びるピストン流路４０を有している。ピストン流路４０は、流入室２１から加圧室２４まで延びている。すなわち、ピストン流路４０の入口は、流入室２１で開口し、ピストン流路４０の出口は、加圧室２４で開口している。ピストン３０は、ピストン流路４０と中間室２３とを連通する連通流路４１をさらに有している。連通流路４１の一端はピストン流路４０に接続され、連通流路４１の他端は中間室２３に接続されている。

シリンダ２６は、リセット室２２に連通する漏れ排出口４５を有している。往復ポンプ２は、シリンダ２６の吸込み口２６Ａに連結された吸込み逆止弁５１と、ピストン流路４０に配置された流入側逆止弁５２および流出側逆止弁５３と、シリンダ２６の吐出し口２６Ｂに連結された吐出し逆止弁５４と、シリンダ２６の漏れ排出口４５に連結された漏れ排出逆止弁５５を備えている。

吸込み逆止弁５１の入口は、図１に示す貯留タンク１内に位置し、かつ貯留タンク１の液面よりも低い位置にある。吸込み逆止弁５１は、貯留タンク１内の流体（液化ガス）がシリンダ２６内の流入室２１に流れることを許容し、流体の逆方向の流れを許容しないように構成されている。

流入側逆止弁５２はピストン流路４０の入口側に配置され、流出側逆止弁５３はピストン流路４０の出口側に配置されている。流入側逆止弁５２および流出側逆止弁５３は、流体が流入室２１から加圧室２４に流れることを許容し、逆方向の流れを許容しないように構成されている。流入側逆止弁５２および流出側逆止弁５３は、ピストン３０に固定されており、ピストン３０と一体に往復移動する。連通流路４１は、流入側逆止弁５２と流出側逆止弁５３との間の位置でピストン流路４０に連通している。

吐出し逆止弁５４は、流体が加圧室２４から流出することを許容し、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５４の出口は、液化ガス排出ライン１４に連結されている。漏れ排出逆止弁５５は、流体がリセット室２２から流出することを許容し、逆方向の流れを許容しないように構成されている。漏れ排出逆止弁５５の出口は、漏れ排出ライン１５に連結されている。

図２に示すように、流入室２１の直径Ｗ１は、加圧室２４の直径Ｗ２よりも大きい。図２から分かるように、流入室２１内にはピストンロッド１０が存在しているので、ピストンロッド１０の容積だけ、流入室２１の容積は小さくなる。そこで、流入室２１の直径Ｗ１を加圧室２４の直径Ｗ２よりも大きくすることで、流入室２１の容積を加圧室２４の容積と同じにする、または容積比を調整することが可能である。また、直径の小さい加圧室２４を形成するシリンダ２６の表面積が小さいので、加圧室２４内での流体の圧縮熱がシリンダ２６の外部に伝達しにくいという利点もある。

次に、往復ポンプ２の動作について説明する。図３に示すように、ピストン３０が吐出し口２６Ｂに向かって（下死点に向かって）移動すると、流入室２１が拡張され、流体は吸込み逆止弁５１および吸込み口２６Ａを通って流入室２１内に流入する。次に、図４に示すように、ピストン３０が吸込み口２６Ａに向かって（上死点に向かって）移動されると、流入室２１内の流体は、流入側逆止弁５２、ピストン流路４０、および流出側逆止弁５３を通って流れ、加圧室２４内に流入する。

さらに、図３に示すように、ピストン３０が吐出し口２６Ｂに向かって移動すると、加圧室２４内の流体が加圧され、加圧室２４から吐出し口２６Ｂおよび吐出し逆止弁５４を通って吐き出される。同時に、流入室２１が拡張され、流体は吸込み逆止弁５１および吸込み口２６Ａを通って流入室２１内に流入する。加圧された流体は、液化ガス排出ライン１４を流れて、図１に示す貯留タンク１の外部に移送される。このように、ピストン３０が一方向に移動するときに、流体の流入室２１への吸込みと、加圧室２４内での流体の加圧が行われ、ピストン３０が反対方向に移動するときに、流体は流入室２１から加圧室２４へ移動する。

第１シール３１、第２シール３２、および第３シール３３は、摺動熱に起因する流体の気化を防止するために、シール３１，３２，３３とシリンダ２６との間には微小な漏れ経路があり、ある程度の流体の漏洩を許容する。したがって、図３に示すようにピストン３０が移動するとき、流体の一部は加圧室２４から第３シール３３を通って中間室２３に漏洩する。同じように、図４に示すようにピストン３０が移動するとき、流入室２１内の流体の一部は、第１シール３１を通ってリセット室２２内に漏れる。

第３シール３３を通じて加圧室２４から中間室２３に漏れた流体は、高エンタルピーの流体である。この高エンタルピーの流体は、中間室２３内に存在する比較的大量の低エンタルピーの流体に混ざり、低エンタルピーの流体となる。さらに、中間室２３内の低エンタルピーの流体は、連通流路４１およびピストン流路４０を通って加圧室２４に送られる。このように、第３シール３３を通じて加圧室２４から中間室２３に漏れた流体は、連通流路４１およびピストン流路４０を通って加圧室２４に還流するので、シリンダ２６外に漏洩する流体の量が低減される。

中間室２３内の低エンタルピーの流体の一部は、第２シール３２を通ってリセット室２２に漏洩するが、リセット室２２内の流体は漏れ排出口４５および漏れ排出逆止弁５５を通ってシリンダ２６外に排出される。したがって、リセット室２２内の流体は流入室２１には流入せず、流入室２１内の圧力は低く維持される。結果として、ピストン３０が吸込み動作を行ったときに、意図した量の流体が流入室２１内に吸い込まれる。このように、ピストン３０の往復動作により十分な量の流体が吸い込まれ、加圧され、そして移送されるので、往復ポンプ２の効率が向上される。リセット室２２から漏れ排出口４５および漏れ排出逆止弁５５を通ってシリンダ２６外に排出される流体の量は微量であるため、往復ポンプ２の流体移送量は実質的に低下しない。

図１に示すように、漏れ排出ライン１５は、貯留タンク１の外部に延びており、大気開放されているか、あるいは図示しないガス処理装置に連結されている。ガス処理装置の例としては、ガス焼却装置（フレアリング装置）、化学的ガス処理装置、ガス吸着装置などが挙げられる。一実施形態では、漏れ排出ライン１５の出口は、図１に示す貯留タンク１内に位置してもよい。この場合は、漏れ排出ライン１５を流れた流体は、貯留タンク１内に戻される。

図５は、往復ポンプ２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４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５に示すように、第１シール３１、第２シール３２、および第３シール３３は、シリンダ２６の内面に固定された静止シールである。したがって、ピストン３０の往復移動とともに、これらのシールは移動しない。図５に示す実施形態においても、先に説明した実施形態と同じように、シリンダ２６外に漏洩する流体の量が低減され、かつ往復ポンプ２の効率が向上される。

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。

１貯留タンク
２往復ポンプ
５アクチュエータ
７液化ガス入口ポート
８ボイルオフガス排出ポート
９ブラケット
１０ピストンロッド
１２継手装置
１４液化ガス排出ライン
１５漏れ排出ライン
２１流入室
２２リセット室
２３中間室
２４加圧室
２６シリンダ
２６Ａ吸込み口
２６Ｂ吐出し口
３０ピストン
３１第１シール
３２第２シール
３３第３シール
３５軸封装置
４０ピストン流路
４１連通流路
４５漏れ排出口
５１吸込み逆止弁
５２流入側逆止弁
５３流出側逆止弁
５４吐出し逆止弁
５５漏れ排出逆止弁

Claims

液化ガスを移送するための往復ポンプであって、
流入室、リセット室、中間室、および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、
前記シリンダの内面と前記ピストンの外面との隙間に配置された第１シール、第２シール、および第３シールと、
前記シリンダの吸込み口に連結された吸込み逆止弁と、
前記ピストン内を貫通するピストン流路に配置された流入側逆止弁および流出側逆止弁と、
前記シリンダの吐出し口に連結された吐出し逆止弁と、
前記シリンダの漏れ排出口に連結された漏れ排出逆止弁を備え、
前記漏れ排出口は、前記リセット室に連通しており、
前記流入室と前記リセット室は、前記第１シールによって仕切られ、
前記リセット室と前記中間室は、前記第２シールによって仕切られ、
前記中間室と前記加圧室は、前記第３シールによって仕切られ、
前記ピストンは、前記ピストン流路と前記中間室とを連通する連通流路を有している、往復ポンプ。
前記ピストンに連結されたピストンロッドと、前記シリンダとの間の隙間を封止する軸封装置をさらに備えている、請求項１に記載の往復ポンプ。
前記流入室の直径は、前記加圧室の直径よりも大きい、請求項１または２に記載の往復ポンプ。
前記流入室、前記リセット室、前記中間室、および前記加圧室は、前記シリンダの長手方向に沿って前記流入室、前記リセット室、前記中間室、および前記加圧室の順に並んでいる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の往復ポンプ。