JP2001342986A - コンタミの発生しない非接触ポンプ - Google Patents
コンタミの発生しない非接触ポンプInfo
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Abstract
いようにする。 【解決手段】竪型ポンプの、ローターを非磁性電気良導
体中空円筒とし、回転磁界発生装置により永久磁石を有
するローターに回転力と電磁的反発力を発生させ、液膜
による接触を抑制する。インペラーにバランスホール、
裏羽根及び湾曲縁を設け、磁石装置内蔵のバランシング
装置を取付けて、スラストを減ずる。ポンプ吐出口側の
フィルターを通じて、スラリーのない液をキャン内に還
流させ、損耗を防止する。また、ポンプの回転部分の取
外しを簡単にして、清掃を容易とする。
Description
ポンプに関する。
受けにあると云われている。この内シールをなくし、液
漏れをなくす為にシールレスポンプは開発されて久し
い。シールレスポンプの種類にはインペラーを有するキ
ャンドモーターポンプとマグネットポンプがあり、膜の
往復運動によって液の輸送を行うダイヤフラムポンプが
ある。ダイヤフラムポンプには液中に動力軸及び軸受は
ないが他の2種はいずれも動力軸及び軸受が液中にあ
る。それでポンプによる輸送液(以下母液と記す)中に
軸受があるのでいわゆる通常の潤滑油は使用できず母液
が潤滑油、冷却の役目をなしている。軸と軸受が液中に
ある為その摩擦細片が母液中に混入する事は避けられな
い。即ちコンタミの発生は避けられない。亦液のない時
の空運転は軸受の損耗をきたす恐れがある。ダイヤフラ
ムポンプはこのような事はないが吐出液に脈動があり、
又膜が故障し易い。その外高揚程にはなし得るが吐出量
は少なく、他のポンプと同じような吐出量になるように
すると、他のポンプに比べ極めて高価になる。本出願者
は今までに非接触のポンプとして特開平03−4514
3号公報、特開平8−277945号公報にて開示され
たポンプの出願があるがこれらはいずれも母液中に動力
軸、軸受はなく周壁と非接触で運転させ、コンタミの発
生のない事を目的としたものであるが完全、確実にその
目的を達するまでには至らなかった。亦ポンプ効率の低
いものもあった。
として汎用モーターのステーターの如きコイル巻線とす
ると2次との磁気的ギャップが大きいと力率が低下し装
置自体の損失が増加し、ポンプとしての効率を上げ得な
い。それで回転磁界発生装置としてコイルを使用する事
は有利ではない。 2)インペラーにかかる吸い込み側へのスラスト力はか
なり大きい。亦ラジアル方向の力もかかる、本ポンプに
は軸承がないのでこれに対する処置が必要である。 3)コンタミの発生がないようにする為にはインペラー
を含む回転部分を周壁と非接触にする必要がある。 4)母液にスラリーが混入している時にはこれによるキ
ャン及びローターの損耗が発生するのでこれを防ぐ必要
がある。
の全体縦断面図である。外磁石筒(22)と対応させて
内磁石筒(23)を設置し、これを同一のモーター(2
0)にて駆動する。この内外磁石筒が回転磁界発生装置
となる。磁石の回転による回転磁界発生方式は、汎用モ
ーターのステーターの如きコアーの巻線による回転磁界
発生方式に比べ次に如き利点がある。 a)1次、2次間の磁気的ギャップが大きくても磁界発
生装置自体の損失はない。即ち動力損失を少なくしう
る。亦キャン(図1の26,27)を厚くしうる。 b)回転磁界の回転数は磁極数(磁石数)には関係なく
磁石筒駆動用モーターの回転数となる。この事はロータ
ーに発生するトルクを大きくする為極数を増やしても回
転数の減少はない。 c)磁石は液中にないので母液の温度上昇による磁石の
磁力減少はない。 d)ローターは誘導で回転するのであって吸引力による
ものではない。従って従来のマグネットポンプの如く2
次側の脱調はない。この事はポンプの回転数を上げ揚程
を高めうる。 e)特に冷却装置の必要はない。 f)防爆については、モーターのみを考慮すれば良い。
外磁石筒(22)と内磁石筒(23)間に非磁性高電気
抵抗の二重円筒を設置する。外側の円筒を外キャン(2
6)、内側の円筒を内キャン(27)とする。内外キャ
ンの上辺隙間は閉鎖する。外キャンの下端外側はフラン
ヂ(28)に接続、内キャンの下部は底(27−1)を
つけておく。内外キャンの隙間に非磁性電気良導体の適
正な厚み(3〜4mm)の中空円筒のローター(25)
を挿入し、ローターがこの隙間で自由に回転できるよう
にしておく。ローターと内外キャンの隙間は約1mmと
しておく。ローター(25)は底(31−1)を有しこ
の底と内キャン底(27−1)でバランシング装置(3
1)を構成させている。ローター底(31−1)をバラ
ンシングプレートと記す。この関係を図2に示す。図2
のX1−Y1矢視を図2−1に示す。
より説明する。キャン内にスラリー等の混入した液が入
り込むとキャンとローターの隙間は狭く且つローターが
かなり高速で回転しているのでキャン内壁及びローター
外周の損耗が起こる。これを防ぐ還流装置を図5に示
す。図5はこの装置に関係ある部分のみの縦断面図であ
る。図5に於いてインペラーの吐出口から分岐管(3
3)にフィルター(34)を通った還流液を外キャン
(26)の外側に沿って縦方向につけた数條の浅い溝
(26−10)を通りキャンにつけられたの孔(26−
11)よりキャン内に流入するようにしておく。キャン
の溝(26−10)には非磁性材の薄いカバー(26−
12)をつける。キャンの下側に分配管(26−13)
をつけ、これより周囲の溝に分配する。管(26−1
3)と分岐管(33)は接続しておく。分岐管の途中に
管を分岐させてこれに開閉弁(35)をつけキャン内の
エャー抜き弁とする。図5−1は図5のX3−Y3断面
図である。
本ポンプのインペラー(29)の縦断面図である。イン
ペラーの主板(29−2)にかかる圧力F1は下面にか
かるF2よりはるかに大きいこの差F1−F2(以下軸
方向のスラストと記す)は(吐出圧力×インペラー吸込
口の断面積)に略等しいと考えられるので場合によって
はかなり大きい力になる。通常のポンプにはスラスト軸
承があり、これで受けているのであるが本ポンプにはス
ラスト軸承がないので之に対処するためにはインペラー
主板にかかる力F1を減ずるか、インペラーに何等かの
方法で之に上向きの力を与えねばならない、之の事が本
ポンプに於いては解決すべき最大の問題である。先ずF
1を減ずる方法として之に対応するためにはインペラー
主板にかかる力F1を減ずるかF2に何等かの方法で之
に上向きの力を加えねばならない。先ず、F1を減ずる
方法としてインペラーの主板(2−2)の上側に複数枚
の裏羽根(29−4)をつけ、イペラー上面の流体を排
出することによってF1を減ずるようにする。裏羽根
(29−4)は高さ5mm程度とする。又主板の全周に
幅の狭い且つ内側に多少湾曲した補助縁(29−2−
1)をつける事によって吐出液がこれに当たりインペラ
ーに上向きの力を与える。又主板に適当数のバランス孔
(29−2−2)をあけておく。これらによってスラス
ト力F1を減少させ得る。インペラー吸込筒の根元のイ
ンペラー下板の裏側に小さな補助羽根(29−5)をつ
ける、之はインペラー下板とケーシング間に流入し吸込
筒入口へ還流する液の流れに抵抗し、下板下の圧力の減
少、還元流の減少を目的とするものである。次にインペ
ラーに上向きの力を与える方法としてバランシング装置
及同装置内に磁石装置を取付けるが之は夫々の項に於い
て説明する。
図2はバランシング装置及その周辺との関連図。図2−
1は図2のX1−Y1断面図である。バランシング装置
は前述の如く内キャン底(27−1)とローター底(3
1−1)とで構成される。内キャン底(27−1)の外
径に等しい外径の外ラビリンス筒(31−3)をキャン
底に、之と対応させて之と少しの隙間を持つ内ラビリン
ス筒(31−2)をローター底内に取付ける。ローター
底をバランシングプレートとして使用するがその中央を
貫通する中空の還流パイプ(36)を取付、固定し内部
の空間(31−SP)に突き出させる。その先端は半球
凸起(31−5)とする。之はインペラーが浮上りすぎ
て上面周壁に接触する恐れのある時この凸起の先端の1
点のみで接触させようとするものである。又突出部分に
複数個の流入孔(31−6)をあけておく。還流パイプ
の下側はインペラー主板(29−2)の中央を貫通之に
固定し、且つインペラーの中央付近まで延ばしておく。
インペラー上面に入って来た圧力の高い吐出液の一部は
バランシングプレートの下側面に圧力をかけると共に外
キャン(26)内キャン(27)の隙間を通り且つ内外
ラビリンス筒の隙間を通ってバランシング装置内(31
−SP)に入り還流パイプ内を通ってインペラー内中央
部分に還流する。吐出液は内部空間(31−SP)に入
る迄せまい隙間を通るのでかなりの流体損失をうけ
(31−SP)部分ではかなり圧力は低下しており且つ
インペラー吸込側とつながっているので両者の圧力は近
似となっている。バランシングプレートの下面の圧力を
P.内面の圧力をPoとすると(P−Po)×バランシ
ングプレートの面積がバランシングプレートを上方に押
上げる力、即ちインペラーを上方に押す力となる。之の
力がインペラーの吐出圧×吸込筒の断面積にかかる力に
等しいか大きければインペラー上下面にかかる力を打消
す事が出来る。即ちスラスト力に対応できる。バランシ
ング装置は磁石装置(32)を内蔵しているが之は次の
磁石装置の項にて記述する。
引力は安定した利用が出来るので之を使用した磁石装置
とする。図7−1は吸引の挙動の説明図である。M
G1、MG2はいずれもドーナツ型磁石とする。MG1
は回転側に、MG2は固定側に取り付ける。MG1,M
G2の中心点をO1,O2、垂直方向の中心線をφ1,
φ2とする。HはMG1を取り付けた回転軸、fは垂直
方向のみの外力とする。この時O1はO2に向かって動
こうとする。その力をFとし垂直方向の分力をF1とす
る。今Hにかかる外力fは垂直方向のみで上下方向の動
きは制限しているが前後左右の拘束力はないものとする
とFの水平方向の分力(F2)によってφ1はφ2と一
致するように軸Hは動く。この時fの力が減少してF1
>fとなるとO1はO2に合致する。軸Hの先端に半球
凸起Qをつけておけば之により唯1点で接触して停止す
る。この磁石装置をバランシング装置(31)内に取付
ける。磁石措置(32)の構成及取付を図7−2に示
す。内キャン底(27−1)に円筒(32−1)をつけ
その外側にねじ(32−1−1)をつける。ドーナツ型
磁石(32−MG2)を円筒(32−2)の外側にとり
つける。円筒(32−2)の内側にねじ(23−2−
1)をつけ円筒(32−1)のねじ(32−1−1)と
噛合わせ磁石(32−MG2)の上下方向の位置を調整
し得るようにしておく。還流パイプ(36)に磁石(3
2−MG1)を取付け磁石(32−MG2)とのギャッ
プを(d2)としておくがこの(d2)は磁石(32−
MG2)を動かす事によって調整しうる。インペラーが
停止した時はインペラーにかかる下向きのスラスト力、
バランシング装置による上向きの力は消失する。それで
両磁石による吸引力がギャップ(d2)でも回転部分の
重量を引上げるように磁石の強さ、回転部分の重量を考
慮しておく。即ち停止する時は半球凸起(31−5)先
端の唯1点でキャン内底(27−1)と接触、運転時は
スラスト力が働いてこの接触は離れるようにしておく。
回転部分の重量は2.2kwポンプ程度では約2kg程
度にしかないので之に対応出来る磁石の撰択は容易であ
る。
衡装置本ポンプに均衡装置(29−6)をつける。この
構成の部分的図を図6−1に示す。図6−1に於いてイ
ンペラー主板(29−2)上面周辺に外径がほぼインペ
ラー主板に近似で高さの低い中空円筒(29−6−1)
をつけておき外キャンのフランヂ(28)に之と対応す
る凹溝(28−1−1)を有する中空円筒(28−1)
をつける。円筒(29−6−1)の筒壁をこの溝(28
−1−1)の中に入りこませ溝底と隙間(d3)を持た
せておく。正常時はこの隙間(d3)を通ってインペラ
ーよりの吐出液はインペラー上面の空間(29−SP)
に入って行きインペラー主板(29−2)、バランシン
グプレート(31−1)に圧力をかけるがこの液は還流
パイプ(36)を通って還流されてるので(29−S
P)への流入量が減少するとこの部分の液圧も減少しバ
ランシングプレートの上下面にかかる圧力差も減少しバ
ランシングプレートを押上げる力も減少する。即ち回転
部分を上方に押上げる力は減少する。運転時回転部分を
上方に押上げる力が強すぎて凸起(31−5)がキャン
内底(27−1)に接触していると不都合をきたすので
この時は押上力を減少させる必要がある。インペラーが
上方に上がりすぎると(d3)が狭くなり空聞(29−
SP)への流入量が減少しバランシングプレートの上下
面の圧力差及インペラーへのスラスト力は減少し、凸起
は接触を外れ均衡のとれた位置で回転し得るようにす
る。いずれの場合もd2<d3となるようにしておくが
(d3−d2)の差が圧力に対応するようにd3の値を
撰定する。
て説明する。インペラーのラジアル推力Tγは Qn...正規の吐出量 Q...運転時の吐出量 従って一般に吐出弁を閉にした時、Qは0となりTγは
最大となる。従って効率、吐出量、揚程等を考慮せずT
γのみの値を押さえてラジアル推力による振れをなくし
回転部分と周壁との摺動をなくす事のみ目的とする場合
には i)吐出弁と、吸込弁を機械的又は電気的に連動させて ii)吐出弁の開度又は流量計の信号によりモーターの
回転数を変化させQnを調節する。この為にはモーター
はインバーター駆動にする必要がある。
的反発力を示すグラフである。回転磁界(又は進行磁
界)中に於ける非磁性導体の挙動は、その回転磁界と導
体の構成による磁気的レイノルズ数(Rm)とスリップ
(S)の積がRm.S >1になる時、導体は回転磁界
より反発力(RF)を受け、Rm.S<1なる時は吸引
力(F)を受ける。ポンプが起動する時は、S=1で反
発力は最大(約150%)である。この反発力によって
ローターとキャンの間に隙間が生じると、之に液が侵入
しておればローターの回転数の上昇に従って液膜による
楔効果が増大してくる。横型ポンプに於いてはローター
とインペラーの重量がキャンにかかってくるが、竪型ポ
ンプに於いてはこのような事はない。この反発力、液膜
効果によりインペラーのラジアル力を抑制しうる。
樹脂円筒、その外側に深さ約0.5mmの溝をつけ、こ
れを0.5mm厚のSUS304でカバーしている。内
キャン(27)は約3mm厚の樹脂円筒、底厚約5mm 外磁石筒の磁石...ネオジ磁石、個数8ヶ 内磁石筒の磁石...ネオジ磁石、個数8ヶ ローター.3mm厚のAl円筒、内外をガラスコーティ
ング、底はバランシングプレートとする。 磁気的ギャップ...約17mm インペラー...外径148mm のアクリル製、主板
に裏羽根及湾曲縁均衡装置取付。 磁石装置内蔵のバランシング装置取付 駆動モーター、AC 220V 3相2P、2.2k
w、インバーター制御容量約250l/min、揚程約
30m、ポンプ効率約50%、運転時接触なしテストの
結果ローターの流体損失はその外周速度の2.5乗、長
さの1乗に略比例して発生することが判明した。しかし
ローターが1次側からうける反発力、回転力はその対応
面積に略比例する。この事から1次の内径は小さく、長
さを長くする。従ってローターもこれに対応させると効
率のよい事が判明した。
れるのであり、通常のマグネットポンプの如く2次側の
脱調はない。従ってインペラーを高速になし得る、即ち
高揚程になし得ダイヤフラムポンプに代わりうる可能性
がある。 ii)動力源である回転磁界発生装置はマグネットの回
転式によるものであるのでコイル式のものに比べて磁気
的ギャップが大きくても動力効果は低下しない。 iii)磁気的反発力、液膜による楔効果によりキャン
とローターは基本的に非接触となし得る。又インペラー
に付けられた裏羽根、バランスホール、湾曲縁によって
インペラー主板にかかるスラスト力を減少せしめてい
る。以上より母液中に動力軸及び軸受のない、且つコン
タミの発生しないポンプとなっている。亦磁石装置内蔵
のバランシング装置によりインペラーを上方に持ち上げ
る力を出させる。之等の装置により回転部分を液中に浮
かせた状態で回転をさせる。 iv)インペラーケーシングを外せば回転部分を簡単に
取り外せるので内部清掃の必要頻度の高い使用箇所に適
用される。v)コンタミがないのでIC洗浄用、医薬、
バイオ等の純粋液に適用できる。
周辺の縦断面図
係グラフ
ランシング装置 31−1 バランシングプレート(兼ローター底) 32 磁石装置 33 分岐管 34 フィルター 35 エャー抜きバルブ 36 還流パイプ 31−2 内ラビリンス筒 31−3 外ラビリンス筒 31−5 半球凸起 31−6 液入口孔 31−SP バランシング装置内部空間 26−10 キャンに付けられた溝 26−11 キャン内への液流入孔 26−12 溝カバー 26−13 分配管 29−2 インペラー主板 29−2−1 湾曲縁 29−2−2 バランス孔 29−3 インペラー下板 29−5 補助翼 29−6 均衡装置 29−6−1 均衡装置用円筒(回転側) 28−1 均衡装置用円筒(固定側) 28−1−1 28−1の筒壁に開けられた凹溝 d3 28−1〜29−6−1の隙間 O1 MG1の中心点 O2 MG2の中心点 φ1 MG1の中心線 φ2 MG2の中心線 F O1〜O2へ向か力 F1 Fの垂直分力 F2 Fの水平分力 f 垂直外力 H 回転軸 32−MG1 可動側磁石 32−MG2 固定側磁石 32−1 磁石取付用円筒 32−1−1 ねぢ 32−2 磁石取付用円筒 32−2−1 ねぢ d2 32MG1〜32MG2間のギャップ A 磁性体円筒 B 非磁性体円筒 Rm×S1=1 C 非磁性体円筒Rm×S1=1(円筒内の
電流が飽和している状態) F 吸引力 RF 反発力
1)
周辺の縦断面図
グラフ
プ d3 28−1〜29−6−1の隙間 O1 MG1の中心点 O2 MG2の中心点 φ1 MG1の中心線 φ2 MG2の中心線 F O1〜O2へ向かう力 F1 Fの垂直分力 F2 Fの水平分力 f 垂直外力 H 回転軸 A 磁性体円筒 B 非磁性体円筒 Rm×S1=1 C 非磁性体円筒 Rm×S2=1(円筒内
の電流が飽和している状態) F 吸引力 RF 反発力
Claims (3)
- 【請求項1】下方吸い込み、側方吐出式の竪型ポンプに
於いて径の異なる2ケの非磁性高電気抵抗の材質の中空
円筒を用意し大径の円筒内に小径の円筒を挿入し、両者
の間に数mmの隙間を持たせておく。以下大径の円筒を
外キャン、小径の円筒を内キャンと記す。内外キャンの
隙間の上端は閉鎖する。外キャンは下端解放で、下端周
縁にフランヂを取り付ける。内キャンは上面解放、下面
は底にて閉鎖する外キャンの外側に複数個の永久磁石を
その内面に取付けた内筒(以下外磁石筒と記す)内キャ
ン内に外磁石筒の磁石と異極で対応する磁石を配列され
た磁石筒(以下内磁石筒と記す)を配置し、両磁石筒は
同一のモーターで駆動する。外キャンの外側に複数條の
浅い溝を縦方向につけその外側をカバーしておく。この
溝より内外キャンの隙間に通ずる孔に連結し、下端付近
で吐出口より分岐した分岐管に連結する。分岐管の途中
にフィルター及エャー抜き弁をつけておく。内外キャン
の隙間で回転しうる円筒(以下ローターと記す)を配置
する。ローターは非磁性電気良導体の中空円筒で上面解
放、底を有する。この底は後述のバランシング装置のバ
ランシングプレートとなり其の中央を貫通する中空パイ
プ(還流パイプ)にてインペラーと連結させる。インペ
ラーをインペラーケーシング内に配置する。亦インペラ
ーケーシングを外せば回転部分を取り出す事が出来るよ
うにしておく。上記の構造のコンタミの発生しない非接
触ポンプ。 - 【請求項2】インペラー上面の主板に複数枚の裏羽根及
び主板の周縁に幅の狭い且つ下側に湾曲している湾曲縁
を取り付け且つ複数個のバランス用小孔をあけておく。
亦インペラー吸込筒根元のインペラー下板の裏に小さな
補助翼を取付ける。インペラー主板の中央を還流パイプ
が貫通しその中央付近まで延ばしておく。インペラー主
板上面に主板外径と略同じ径をもつ低い中空円筒を取
付,之と対応させてフランヂに筒壁に凹溝を有する中空
円筒を取付け之を均衡装置とする。上記の如き構造のイ
ンペラーを有するコンタミの発生しない非接触のポンプ - 【請求項3】本ポンプに磁石装置を内蔵するバランシン
グ装置を取付ける。取付箇所は内キャン底外で底と、ロ
ーター底とで構成される。内キャン底とローター底間に
適当の隙間を持たせローター底をバランシングプレート
とする。内キャンと略同じ外径をもつ中空円筒(以下外
ラビリンス筒と記す)を内キャン底外に取付之に対応さ
せ且つ外ラビリンス円筒壁と少しの隙間を持たせて中空
円筒(以下内ラビリンスと記す)をバランシングプレー
ト上面に取付ける。バランシングプレートの中央を貫通
し且つ之に固定された中空パイプ(以下還流パイプと記
す)を用意し装置内の部分に複数個の孔(以下流入口孔
と記す)をつけ且つ先端は半球形の凸起としておく。亦
キャン底に磁石を固定し之と対応させ還流パイプに磁石
を取付け、両磁石は互いに吸引するようにし、その吸引
力で回転部分を上方に持上げる力が出るように両者間の
隙間をきめておく。之を磁石装置とする。上記の如き構
造の磁石装置を内蔵するバランシング装置を有するコン
タミの発生しない非接触ポンプ
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