Pump method and the pump in a multi-phase gear pump operation

本発明は、少なくとも１つの吸入管と少なくとも１つの排出管を備えた一つの容器本体により囲まれた少なくとも１つの歯車を備えた多相歯車ポンプを動作させるポンプ方法において、吸入された物質はパルス状の連続的な推進流として歯車軸に平行に前進し排出管において連続的に噴出され、排出側でその都度液相が気相から分離され、歯車から放出された物質流はその流速が減少され、およびまたは、その流れの進行方向が曲げられる多相歯車ポンプを動作させるポンプ方法に関する。
本発明はさらに、少なくとも１つの吸入管と少なくとも１つの排出管を備えた１つの容器本体により囲まれた少なくとも１つの歯車を備えた多相歯車ポンプにおいて、吸入管は歯車のうちの１つの前段に配置された吸入室に、排出管は歯車のうちの１つの後段に配置された排出室に連結されており、とくに、この排出室は、歯車から放出された物質流の気相からその都度液相を分離する設備と、分離された液相の少なくとも一部分を受けるために下部に１つの開口部を有した多相歯車ポンプに関する。
「多相」とは気体と液体の混合物を意味する。 多相輸送においては、特に気体の液体に対する割合が高い場合、もしくは乾いた状態で動作するとき、通常液体は完全に消耗されてしまう。 歯車は隙間を密閉するような液体を伴わずに回転する。 そのためポンプはそれ以上充分な圧力を生み出す事ができず、動作は中断してしまう。 気体の圧縮により生じる凝縮熱はそれ以上十分に取り除くことができない。 これが、歯車の加熱と熱拡散を招き、そのため装置が加熱状態となりポンプが故障する可能性がある。
さらに、パッキング体において気体の液体に対する割合が高い状態、もしくは乾いた状態では潤滑剤が欠乏してしまい、パッキング体の加熱とこれによるパッキンの破壊を引き起きす。 なぜなら、吸入側の残液が歯車の下端部にあると、パッキング体は乾いた状態となる。 そして、（ポンプの）排出すべき物質により形成される潤滑剤は気化し、摩擦熱はそれ以上除去されずパッキング体は破壊される。 この問題は現在、外部の遮断油装置の補助による恒常的な潤滑剤の供給と冷却によって、防止されている。 この装置はしかし、価格が高く、摂動に対して弱いので、このポンプの経済効率は悪い。
導入部分で述べられたポンプの動作と導入部分で述べられた多相−歯車ポンプはGB ２ 227 057 Ａに記載されている。 この文献は前述した問題、すなわち歯車ポンプにより多相混合物を吸引する時に発生する可能性のある問題について、同様に述べている。 もちろん常に液体が存在することが隙間を密閉するために必要であると考えている。 前記問題を解決するために、公知文献では低沸点炭化水素の凝縮による相転換を提案している。 公知文献で「貯蔵槽」として述べられている限りでは、これはポンプチェンバの内部において必要な液体水位計を垂直に保つことに役立つにすぎない。 この貯蔵槽はポンプの吸引領域ではなく、元のポンプ容器本体のある特定の位置に予め設置された排出口とポンプの排出管のみにしか繋がっていない。
本発明は以下の課題を基礎においている。 すなわち、導入部分において述べたポンプ動作と導入部分において述べた多相−歯車ポンプを、非常に高いガス量あるいは長時間にわたる乾燥動作においても、吸引の遮断や損傷を生じさせないように改良することである。
この課題はポンプ動作に関して本発明により以下の様に解決される。 すなわち、分離された液相から一部液体流（液体循環）が取りだされ、吸入範囲に再配分され、この循環内にとどめられ、余分な液体流は排出領域において先に分離されたガス層と再び合体される。
ポンプに関して前記課題は本発明により以下の様に解決される。 すなわち、流速がおおよそ０になる排出室下の開口部において、液体連結管が接続され、この液体連結管は吸入室とつながっていて歯車部分と共に恒常的な密閉に必要な液体量を保つための閉じた循環系を形成するものである。
根本的な本発明の思想に従えば、したがって、高いガスレ−トや時間的に限られた乾燥動作においても、安定な機能の達成に十分な液体がポンプ内に確実に止まり排出されないようにしなければならない。 ここで、このポンプ容器本体内に止まっている液体はパッキング体を、例えば霧状で、常に十分に濡らす。
本発明により、排出側で歯車から放出された推進流は、この推進流中における元の各相の割合が不変に止まるように、液相と気相に分離される。 すなわち、分離により全体積における各相の割合が変化してはならない。 本発明にしたがって、さらに、吸入された物質が非常にわずかな液体を含むか、または全く液体を含まない場合にも、充分確実に隙間が密閉されるように、排出側で分離された液相からある特定の分量が分岐し、吸入範囲へ再び戻され、恒常的な循環を形成し、ポンプ室を通過するよう設定されている。
本発明による特徴はGB2 227 057 Ａによっては予測できない。 公知文献の方法により得られる凝結物は液体として（吸入範囲へ）再び戻され循環中に保持されることがないということは、実験により証明することができる。 なぜなら、この凝結物は吸入室に侵入する前にすでに、この凝結により制限される圧力低下のために、再び気相に還元されるからである。 このように、この得られた凝結物は本発明のように隙間を密閉したり、あるいは熱を取り去ることに対して、役に立たない。
前記課題の解決に必要な分離率もしくは循環に保持される液体量は、容器本体と流形態のもとに決定することができる。 ここで、液体循環の配分はポンプの差圧に依存して、成される。 さらに、液体連結管中に配分ポンプあるいは温度制御弁を設置することも可能である。 ここで、通常の推流の約３％を液体循環系内に保持することが好ましい。
排出室で吸引物質の気相から液相の分離を簡易化するために、排出側において歯車から放出された物質の流速を減少させることが望ましい。 これは排出室が物質の流通方向において拡大された断面積を持つことにより、装置の構造を利用して達成することができる。 さらに、この排出室において流導方向を設定できる。 すなわち、この流導方向とは、分離を助け、そしてまた、歯車から放出された物質の液相を設置されているパッキング体とそれに続く液体連結管の接続領域へ導くものである。
本発明のさらなる特徴は従属請求項から明らかになり、実施例との関係の中で、さらに詳しく説明される。
図面には例として本発明の二つの実施例を示す。
図１は歯車ポンプの縦方向の断面図である。
図２は構造を変化させたポンプ容器本体の断面図である。
図３は従来のポンプ容器本体の図２と同様の断面図である。
図１に示した歯車ポンプは、巻き上げ装置として、二組の非接触で互いに噛み合い、逆方向に動作する歯車対１、２を有し、この歯車対はそれぞれ右に回転する歯車と左に回転する歯車を含む。 このように２方向へ流れるような配置は軸が押されてずれることを相殺する。 この互いに噛み合った歯車はこのねじを取り囲むポンプ容器本体３と共に１つの歯車間の空間を構成する。 回転において駆動軸７の上でこの空間は連続的にそして軸７、８に平行に吸引側から排出側へ移動する。 ここで駆動軸７の回転方向がこの歯車間の空間の移動方向を決める。
駆動軸から作動軸への回転モーメントの伝達はポンプ容器本体３の外側に設置された歯車４により行われる。 この機構によって歯車対の２つの歯車の非接触動作が保証される。
ポンプ容器本体３は１つの吸入管５と排出管６を有する。 後者は好ましくはポンプ容器本体３の上部に設けられている。 この場合、図は歯車ポンプを垂直に中央で切断した断面図を示している。 さらにまた、この図が水平断面図となるような構造も可能である。 その場合には、吸入および排出管５、６は側面に相対して設置され、一方二つの軸７、８は共通の水平面上に隣接して設置される。
吸入管５を通ってポンプに流れ込んできた物質９はポンプ容器本体３中で二つの分流としてそれぞれ中央の吸入室10に導かれる。 この吸入室は付設された歯車１、２の前方に接続されている。 排出室11はこの歯車１、２のそれぞれの後方に接続されていて、外部軸受け13を密閉するために、軸上、外部方向にそれぞれ１つずつパッキング体12によって閉じられている。 排出室11は物質９の流通方向においてより拡大された断面積を備えている。
この図面が垂直縦断面図を示しているとすると、排出室11の最下点に液体の連結管14が接続されていて、吸収室10と繋がっている。 流入してきた液体−気体−混合物から排出側で分離され計量して分離され吸入領域に再び戻された部分液体流は矢印15で示されており、液体循環として再び吸入室10から排出室11へ進む。
図から明らかなように、歯車１、２から出てきた物質９の液相は付設されたパッキング体12に対して進み重力により液体−連結管14の連結領域へ達する。 排出室11の流断面積の拡大により、放出された物質の流速は低下し、それにより流れてきた混合物から液相を分離しやすくなる。 図にはスケッチとしてのみ示されている流れの誘導装置17が液体連結管14の連結部へ液相を導き易くし、かつ、分離を促進しまた排出室11中の液体の状態を制御することができる。
排出室11への液体連結管14の接続は、恒常的な液体循環が（気体侵入を防止した状態で）保証される程度に深くなければならない。 この（液体）分離率は容器本体および流れの形態に基づいて決定することができる。 ここで、通常の推流の約３％が液体循環にとどまる程度が適切であることが判明した。 そのために、ポンプ容器本体３または、排出室11内に固定されている水位計は通常軸７、８より下方にある。 直接この流れによってパッキング体12が濡れることで通常はパッキング体12の充分な潤滑が成される。 とくに繊細なパッキン材料の場合のみ、パッキング体12は常に濡れていなければならない。 この場合は二つの軸７、８を隣り合って水平に並べ、液体レベルをそれに接触するように高くして排出室11内のより高い位置に水位計を設置する構造が推薦される。
二つの軸７、８が垂直方向に上下に対置している場合には、隙間を密閉するために充分な液体を伴った物質の循環が、本発明の液体連結管14により初めて保証される。 なぜなら、下方の歯車の歯頭に付着した液体は上方の歯車の歯元に飛び、遠心力によってフランクに沿って歯頭まで移動する。 噛み合いと歯頭はこの様にして常に濡れている。 有害な隙間がこのように最小限濡れている事により、ポンプの駆動は充分に保持される。
液体循環の配分のために、適応する寸法を有する絞り18が液体連結管14中に設置される。
ここで、本発明の前記液体循環は物質の液相が充分でない場合のみ効果が生じるので、この液体循環は必要とあれば、例えば温度制御により、閉じる事ができる。
図３は、図１と同様に二つの逆向する歯車対に据え付けられた装置として示されている、従来のポンプ容器本体の断面図である。 ここでは液体は軸上をそれぞれ外側からポンプ中央に向かって、歯車に直接後付けされている排出室11の中へ進んでいくことになる。 この排出室11はポンプ容器本体のほぼ中央に設置された排出口16につながる。 排出室11および排出口16における流速はポンプ中央でこの様な実施例では約３ないし8m/sである。 気体を送り出す場合、排出室11内の残液は気体中で、分裂し、圧縮熱および摩擦熱により蒸発し、短時間で消耗される。
これに対し、図２に示されている本発明による構造では、排出室11がポンプ容器本体３内において、歯車対の下方側、または歯車対と歯車対を取り囲む容器本体により構成される駆動チャンバの下方側まで拡大されている。 排出室11は歯車から排出側へ退出してくる排出流の流速が排出室の下部においてほぼ０になるように構成されている。 これにより密度の差によって、液相の気相からの分類が達成される。
図２に示された構成は同心状あるいは側面に設置された排出室を用いる事も可能である。