JP2004011634A - 横型ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】液中に軸受のないノンシールポンプでインペラーに取り付けられた非磁性電気良導体の中空円筒（ローター）をケーシング外の磁石装置で回転させることによってインペラーを間接的に駆動する方式のポンプに於いて、
インペラー及びローターの回転部分を完全確実に無摺動にする事を目的とする横型ポンプの構造。
【解決手段】インペラーを両側吸入方式とする。インペラーケーシングが内外ケーシング側壁を有する二重構造にし、内ケーシング側壁内にインペラーを設置し、吐出管に連結する。内外ケーシング側壁間の隙間に吸込管を接続し、ここを通って入ってくる吸入液をインペラー両側面の吸入孔へ導入する。
インペラーに取り付けたローター、これを駆動する磁石装置等はインペラーに対して左右対称に設置する事により、インペラーに作用する回転力、反発力（浮上力）及び吸込液による作用力を左右均衡させる事によりインペラーを浮瀞させた状態で周壁と確実に無摺動にて運転させうる。又モーターに制動装置を付ける事によって停止時の摺動をなくしうる。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
ノンシールで且つ液中又は接液面に軸受のない無摺動ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１はノンシールで且つ液中に軸受がなくインペラーを液中に浮いた状態で回転させ、回転部分と周壁を無摺動にする事を目的とした従来の横型ポンプの構成を示すスケルトン図である。以下これについて説明する。
インペラー（０１）は吸入筒（０１−１）が片側にあり反対側にインペラーを駆動する金属中空円筒（０４）（以下ローターと記す）が取り付けられている。
インペラー及びローターはインペラーケーシング（０２）中に配置されているが周壁と連結されている部分はなくフリーである。ローター（０４）はインペラーケーシング（０２）に連結されている二重円筒（０３−１）（０３−２）（以下キャンと記す）内で回転しうるようになっている。
キャン内外にはこれを挟んで偶数個の磁石を取り付けた磁性円筒（０５−１）（０５−２）（以下回転磁界発生装置と記す）を外部のモーター（０６）で駆動するようになっている。これによってキャン内の隙間には回転磁界が発生し、ローターはその誘導作用により回転力及び反発力が発生し、これによってインペラーは回転し、且つ反発力は全体に浮上力を与えるようになっている。
しかし基本的には片側吸い込み、片側駆動である。
１点鎖線及び矢印はインペラー内の液の流れ方向を示す。
【０００３】
インペラーを含む回転部分の動作を図２により説明する。
起動すると回転磁界よりの反発力をうけて回転すると同時に回転部分は浮き上がり周壁との間の隙間に液が入り込みその回転流により浮上を助ける。
然し乍らインペラーが傾くとｇ_１、ｇ_２の隙間は小さいのでこの部分、即ちＰ_１、Ｐ_２、Ｐ_３の部分で１ケ所又は複数ケ所で接触、摺動が起こる。
又片吸い込みなのでインペラーが中心位置より左又は右に移動する事がおこる、そうするとｇ_３又はｇ_４の隙間が狭くなりインペラーが側面でケーシングと接触、摺動する事が起こる。インペラーは片吸い込み、片側ローター取り付け式なのでインペラー本体の吐出口の中心を¢ｏとすると¢ｏに対しては左右対称でない、それで回転部分の重心を通る鉛直線¢ｏ_１は¢ｏとは一致してない。ローターが回転磁界よりうける反発力の作用点を通る鉛直線を¢_１、楔溝（０１−２）部分の回転流による反発力の作用点を通る鉛直線を¢_２とすると¢_１及び¢_２点の反発作力の大きさ、¢ｏ〜¢_１、¢ｏ〜¢_２の距離はいずれも異なる。
以上よりしてインペラー本体には左右均等な力が作用してないので傾むいたり左右に移動するのである。それで重り（０７）をつけて¢ｏ_１を¢ｏに一致させ且つ回転部分の動バランスをとってみたが完全に摺動をなくしうる事が出来なかった。又吐出バルブ（０２−１）の開度を変える事によってインペラーケーシング内の圧力を変えると摺動の度合及び摺動箇所が変動する。その他停止直前インペラーの回転数が低下した状態では浮上力がなくなり周壁と摺動する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図２の構成から生ずる不具合を是正するには
ｉ）¢ｏと¢ｏ_１が一致するような構成にすること。
ｉｉ）¢_１と¢_２に作用する力が同一になるように、即ち同一方法でローターに反発力、回転力を作用させる構成にし且つ¢ｏ〜¢_１、¢ｏ〜¢_２の距離を同じにする事、又ローターの長さは極力短くし振れが少なくなるようにする。ローターとキャンの隙間ｇ_１は磁石装置よりのローターに対する作用力を保つ為には狭い方がよい。
ｉｉｉ）インペラーの液の吸入は左右対称に且つ同流量になるようにする事、即ち摺動をなくする為にはインペラーを中心として左右対称な構成にし、インペラーに作用する機械的、電磁的及び流体の作用力をすべて均等にする事が第一の条件である。勿論回転部分の動バランスを調整しておく事は必要である。
インペラーを中心として左右対称にローターを取付けキャン及び磁石装置を配置する事は比較的容易ではあるがインペラーケーシングに吸入筒を左右に取り付ける為には従来の構造では基本的に内磁石筒の内径を大きくしてその部分に吸入筒を通す方法をとらねばならず、そうすると磁石装置全体が大きくなり又これの駆動装置も複雑になる。従ってポンプ全体を必要以上に大きくせざるを得ずこの方法は好ましくない。即ちこのような吸入方式でなくインペラーの両側に吸入液を均等に供給する構成が本発明の最重要点となる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
課題を解決する為の手段の例を図３によって説明する。
図３は本発明によるポンプのうち、後述の型式−１インペラー（１）、型式−１ローター（３）を使用しインペラーの羽根（１−２）は両面オープン羽根とした。インペラー、ケーシング、ローターキャン部分の部分的縦断面図でインペラーを中心として左右対称な構造である。
インペラーへの吸入液の供給機構としてインペラーケーシングの側壁を二重構造とする。内側ケーシング側壁（７−２）と外側ケーシング側壁（７−３）間の隙間（８−Ａ）、（８−Ｂ）を吸入液路とする。両側の吸入液路は吸込管（５−Ａ）、（５−Ｂ）につながり、内ケーシングは吐出管（６）につなぐ。
吸入液路を通って来た液はインペラー両側の吸入孔（１−４）より吸入される。図３では両側の吸入液路に吸込管を連結しているが、要は吸入液路に均等に吸込が出来ればよいのであって吸込の方法等を限定するものではない。
インペラーケーシング（７）は中央の本体ケーシング（７−１）を挟んで板状の内側ケーシング側壁（７−２）と外側ケーシング側壁（７−３）を組み合わせたものである。図４はインペラーケーシング（７）のうちの本体ケーシング（７−１）の縦断面図で図５は図４のＸ１−Ｙ１矢視図である。本体ケーシング内にインペラー（１）は格納されている。インペラーケーシングの構造はインペラーの型式にかかわらず同一とする。
【０００６】
インペラーについて説明する。
インペラーはその基本形として型式−１インペラーと型式−２インペラーに大別する。先ず型式−１インペラーについて説明する。
このインペラーの縦断面を図６に、図６のＸ２−Ｙ２断面図を図７に示す。
型式−１インペラー（１）は中央の円板（１−１）（以下基板と記す）の両側に対称に羽根（１−２−Ａ）（１−２−Ｂ）を取り付ける。
インペラーの中央には吸入孔（１−４）があるが、吸入孔の中央は基板（１−１）にて遮断されている。吸入孔（１−４）及び基板（１−１）の中央を貫通し基板に固定する為の１本の貫通軸（１−３）（以下インペラー軸と記す）を通しその両端にローターを取り付ける構造とする。
この構造のインペラーを型式−１インペラーとする。
【０００７】
次に型式−２インペラーについて説明する。
図８はこの縦断面図である。型式−２インペラー（２）はクローズドインペラー型で中央を貫通する吸入孔（２−４）があり、羽根（２−２）は１組のみとし両側板（２−１−Ａ）（２−１−Ｂ）を有する。
この構造のインペラーを型式−２インペラーとする。
【０００８】
次にローターについて説明する。
ローターは非磁性で電気良導体の材質で作られた中空円筒で型式−１ローター、型式−２ローターに分類する。
先ず型式−１ローターについて説明する。図９はこの型式−１ローター（３）の断面図である。このローターは底（３−１）を有し、その部分に液循環用の複数の小孔（３−２）をあけておく。このローターは型式−１インペラー（１）のインペラー軸（１−３）の両端に取り付けるものである。図３のローター（３）はこの型式で底（３−１）でインペラー軸（１−３）と連結する。
次に型式−２ローターについて説明する。
図１０はこのローターの断面図である。このローター（４）は中空円筒で一方の端にインペラーとの取り付け用フランジ（４−１）があり、又吸入液路と対応する部分に複数個の孔（４−２）をあけておく。図１１は図１０のＸ３−Ｙ３断面図で孔（４−２）をあけた残りの筒壁部分（４−３）の断面は液体が筒内部に流入し易いような翼形とする。
このローターは型式−２インペラーに直接取り付ける為のものである。
【０００９】
型式−２ローターは型式−２インペラーとの連結に用いるものであつて、これを図１２によって説明する。
ローター（４）はインペラー（２）の両側板（２−１−Ａ）（２−１−Ｂ）に取り付けるがローターに明けられる孔（４−２）は吸入液路（８−Ａ）（８−Ｂ）に面するようにしこの孔から入り込んで液がインペラー（２）の吸入孔に吸入されるようにする。
【００１０】
型式−２インペラー使用の時は還流阻止器具を取り付け、これを図１３、１４にて表す。図１３はインペラーとその周辺の縦断面図で、図１４は図１３のＸ４−Ｙ４矢視図である。この器具はインペラー（２）の側板（２−１−Ａ）（２−２−Ｂ）の周縁に複数の低い凸起板（２−７）を取り付けその内側に低い凸起状円筒（２−８）を取り付け、ケーシング内側壁の内側に同じく低い凸起状円筒（７−２−１）を取り付ける。インペラーが回転していると凸起板（２−７）の作用によりインペラー側板（２−１）とケーシング内側壁（７−２）に入り込む液を阻止し、円筒（２−８）はこの作用を助成する、これを越えた液は凸起状円筒（７−２−１）によって更に阻止されインペラー吐出口よりインペラー吸入孔への還流量を減少させる。
【００１１】
図３に於いてキャン（２０）（２１）は非磁性で電気良導体でつくられた二重円筒で、内筒を内キャン（２０）外筒を外キャン（２１）とする。内外キャンの片側は閉鎖され、外キャンの他方はインペラーケーシングの外側壁（７−３）と連結し、内キャンは底を有する構造とする。内外キャンの間をローター（３）が回転しうるようになっている。尚このキャンの構造は従来の技術と同じである。
【００１２】
回転磁界発生装置について図１５、図１６により説明する。
内外キャンの隙間に回転磁界をつくりローターと交差させてローターに回転力と反発力を発生させる為に内キャン内に内磁石筒（３０）、外キャン外に外磁石筒（３１）を配置しこの内外磁石筒を連結し外部のモーターで回転させる構成は従来の技術と同一でありその構造を図１５、図１６に示す。
図１６は図１５のＸ５−Ｙ５断面図である。但し従来と異なる所は本発明に於いてはこの回転磁界発生装置をインペラーの左右に対称に配置し外部のモーターで同期で同方向に回転させ、且つモーターに制動装置を具備させるものである。回転磁界装置の磁石とローターは機械的な連結はないが磁石を停止させるとローターは制動をうける。ローターが停止時低速になると反発力も減少しローターはキャンと摺動する。これを防止する為モーターを急停止させるとローターも急停止し、停止後下降し、キャンとは軟接触するので摺動は起こらない。モーターの制動はこの為必要である。亦ローターが回転磁界より受ける反発力は起動時が最大であり、浮上と起動は同時に起こるので起動時のは摺動発生しない。
【００１３】
本ポンプを点検、修理する時分解しインペラー、ローター等を取り外す必要がある。
この手順を図３により説明する。
ｉ）吐出管のフランジ（６−１）のボルトを外す…本体ケーシング（７−１）とケーシング内側壁板（７−２）の連結は外れる。
ｉｉ）吸込管（５−Ａ）とケーシングが外側壁板（７−３）の連結を外す。
ｉｉｉ）上下部の締め付け装置（１０−１）（１０−２）及び（１０−３）（１０−４）を緩める…インペラーの左側部分の連結はすべて外れる。
ｉｖ）ベルト（７５）の緊張装置（７６）を緩めるとベルト（７５）をプリーから外す事が出来る。
以上の手順によりポンプのケーシングの左半分を左側に動かし、インペラー、ローターを取り出し得る。組み込む場合は逆手順を行う。
【００１４】
次に図１７により締め付け装置（１０−１）（１０−２）及び（１０−３）（１０−４）の説明をする。締め付け装置（１０−１）（１０−２）及び（１０−３）（１０−４）は１組となっていて構造は同一である。
図１５に於いて長いボルト（１０−１１）の一方にはネジ（１０−１１−１）が切ってあり、他端にはピン（１０−２０）を通す孔（図示せず）があけられている。
ボルトの左右のホルダー（１０−１０）（１０−２０）は夫々ケーシング壁に取り付けられボルトを保持するようにする。
ボルトのネジ部分にナツト（１０−１２）をはめ、これにてケーシングを締め付けたり、緩めたりする。
ボルトは左側のホルダー（１０−１０）から外すことが出来るようにしておく。
【００１５】
図１８は本ポンプ装置全体の配置を示す平面図である。
ポンプ本体（４０）は支持円筒（９）と連結する支持枠（７１）にて支持をする。内外磁石筒の駆動軸（３２）を延長しベアリング（７２）で支持しこの軸にタイミングプーリー（７３）を取り付ける。両軸モーター（６０）の両軸（６０−１）（６０−２）に軸受（７２）、タイミングプーリー（７４）を取り付け、（７３）（７４）をタイミングベルト（７５）で連結させる。ベルトの途中にベルトの緊張装置（７６）を取り付ける。（６１）はモーター（６０）の制御装置である。
【００１６】
図１９はポンプ内の液の流れを示す図で２点鎖線及び矢印でこれを示す。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は図３に示す如き両面オープンインペラーのポンプを試作した。
・外部よりの吸込管…φ１５ｍｍ×２
・吐出管…φ２０ｍｍ
・インペラー　材質…ＰＶＣ、外径…１００ｍｍ、吸入孔…φ５０ｍｍ、インペラー軸径…φ２０ｍｍ、インペラー羽根数…６枚
・ローター　　３ｍｍ厚みのＡｌ円筒
・キャン　　　２ｍｍ厚みのＰＶＣ二重円筒
・キャンとローターの隙間　　２ｍｍ
・内ケーシング、外ケーシング側壁共に７ｍｍ厚みのＰＶＣ
・磁石装置　　磁石数内外磁石筒共に４Ｐ　材質…ネオジ磁石
・磁石筒駆動用モーター　３φ、２００Ｖ、０．４ｋＷ、２Ｐ両軸モーター
・逆転制動用制御装置
・重心、動バランスの調整後運転を行った。
性能…吐出量６０ｌ／ｍｉｎ　揚程１０ｍ　ポンプ効率約２４％
起動、停止、運転中の吐出バルブの全開と全閉、いずれに於いても回転部分と周壁との摺動痕跡は全く認められなかった。検査は回転部分に検査用塗装をしての剥離の有無によって摺動の有無を検査した。
【００１８】
【効果】
本ポンプはノンシール構造で液中又は接液する軸受がなく、回転部分が周壁と接触することなく浮いた状態で極めて安定した状態で運転させる為にすべての機器をインペラーを中心に左右対称に配置しているので摺動等によるコンタミの発生は全くない。また接液部分をすべて樹脂、又は樹脂コーティング及びセラミック等で製作し得るので接液面に金属を無くし得る。この事は液中に金属イオンの溶出を無くし得る。
以上よりして純粋液、腐食液に使用できるので使用範囲はかなり広がるものと期待し得る。又運転中の摺動部分がない事は故障の激減、寿命の長期化、メンテナンスフリーの状態にもなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の横型ポンプのスケルトン図
【図２】図１の動作説明図
【図３】本発明のポンプインペラー及び周辺の縦断面図
【図４】インペラーケーシング本体の縦断面図
【図５】図４のＸ１−Ｙ１矢視図
【図６】型式−１インペラーの断面スケルトン図
【図７】図６のＸ２−Ｙ２矢視図
【図８】型式−２インペラーの断面スケルトン図
【図９】型式−１ローターの断面図
【図１０】型式−２ローターの断面図
【図１１】図１０のＸ３−Ｙ３断面図
【図１２】型式−２インペラーと型式−２ローターの接続図
【図１３】還流阻止器具取付図
【図１４】図１３のＸ４−Ｙ４矢視図
【図１５】回転磁界発生装置の断面図
【図１６】図１５のＸ５−Ｙ５断面図
【図１７】インペラーケーシング締め付け装置図
【図１８】本発明のポンプの平面配置図
【図１９】本ポンプ内の液体の流れ方向を示す図
【符号の説明】
本発明のポンプに於いて各機器はインペラーを中心として左右対称に装備されているので、各機器の符号は主として図面の左側のみの機器について記入してある。説明上必要ある場合に限り機器番号に○○一○−Ａ又は○○−○−Ｂの符号をつけている。図に於いて○○一○−Ａ表示の機器はインペラーの左側○○−○−Ｂ表示の機器はインペラーの右側に装備してある機器を表すものとする。
０１　　　　　　インペラー
０１−１　　　　吸込筒
０１−２　　　　吸込筒に付けられた楔溝
０１−３　　　　還流孔
０２　　　　　　インペラーケーシング
０２−１　　　　吐出管バルブ
０３−１　　　　外キャン（隔壁）
０３−２　　　　内キャン（隔壁）
０４　　　　　　ローター
０５−１　　　　内磁石
０５−２　　　　外磁石
０６　　　　　　モーター
¢ｏ　　　　　　インペラー本体中心線
¢ｏ_１　　　　　回転部分の重心線
¢_１　　　　　　ローターの反発力、回転力の作用点を通る線
¢_２　　　　　　吸込筒への反発力の作用点を通る線
ｇ_１　　　　　　ローターとキャンの隙間
ｇ_２　　　　　　吸込筒とケーシングの隙間
ｇ_３　　　　　　インペラーとケーシング側壁の隙間
ｇ_４　　　　　　インペラーとケーシング側壁の隙間
Ｐ_１　　　　　　ローターとキャンとの摺動のあった点
Ｐ_２　　　　　　ローターとキャンとの摺動のあった点
Ｐ_３　　　　　　吸込筒とキャンとの摺動のあった点
０７　　　　　　重り
１　　　　　　　型式−１インペラー
１−１　　　　　基板
１−２　　　　　インペラー羽根
１−３　　　　　インペラー軸
１−４　　　　　吸入孔
２　　　　　　　型式−２インペラー
２−１　　　　　基板
２−２　　　　　羽根
２−４　　　　　吸入孔
２−７　　　　　凸起片
２−８　　　　　凸起状円筒
３　　　　　　　型式−１ローター
３−１　　　　　底板
３−２　　　　　還流孔
４　　　　　　　型式−２ローター
４−１　　　　　フランジ
４−２　　　　　吸入孔
４−３　　　　　翼状筒壁
５−Ａ　　　　　吸込管
５−Ｂ　　　　　吸込管
５−２　　　　　吸込管取り付けフランジ
６　　　　　　　吐出管
６−１　　　　　吐出管取り付けフランジ
７−１　　　　　インペラーケーシング本体
７−２　　　　　ケーシング内側壁
７−２−１　　　凸起状円筒
７−３　　　　　ケーシング外側壁
８−Ａ　　　　　吸入液路
８−Ｂ　　　　　吸入液路
９　　　　　　　ケーシング支持円筒
１０−１　　　　締め付け装置
１０−２　　　　締め付け装置
１０−３　　　　締め付け装置
１０−４　　　　締め付け装置
１０−１０　　　ボルトホルダー
１０−１１　　　ボルト
１０−１１−１　ネジ部分
１０−１２　　　ナット
１０−２０　　　ボルトホルダー
１０−２１　　　ピン
２０　　　　　　内キャン（隔壁）
２１　　　　　　外キャン（隔壁）
３０　　　　　　内マグネット筒
３１　　　　　　外マグネット筒
３２　　　　　　内マグネット筒軸
３３　　　　　　外マグネット筒ヨーク
４０　　　　　　ポンプ本体
６０　　　　　　両軸モーター
６０−１　　　　モーター軸
６０−２　　　　モーター軸
６１　　　　　　制御装置
７１　　　　　　支持枠
７２　　　　　　軸受
７３　　　　　　タイミングプーリー
７４　　　　　　タイミングプーリー
７５　　　　　　タイミングベルト
７６　　　　　　タイミングベルト

Claims (3)

1. 本発明にかかわるポンプ（以下本ポンプと記す）はインペラーがポンプ本体に対して直角に配置されているいわゆる横型ポンプで、本ポンプに装備する各機器はインペラーを中心として左右対称に配置し、インペラーに対する各機器の作用、ポンプ内の液体の挙動はいずれも左右均衡する如くする。
   インペラーケーシングの両側壁は二重構造とし（以下内ケーシング側壁、外ケーシング側壁と記す）内外ケーシング側壁間の隙間（以下吸入液路と記す）は上方側面又は下方で吸込管とケーシング中央でインペラーの吸入孔と連通させる。内インペラーケーシングは吐出管と接続させておく。
   インペラーに非磁性の中空金属円筒（以下ローターと記す）をインペラーに連結し、これをケーシング外の回転磁界装置によりローターに回転力及び反発力を発生させる。インペラー左右の回転磁界発生装置は二重円筒のキャン（隔壁）を介し、ローターをはさむ内外磁石筒を外部のモーターで同期に且つ同方向に回転させる。又この駆動用モーターには制動装置をつけておく。上記の構造を特徴とする横型ポンプ。
2. インペラーの構造は基本的には２種類とし、夫々を型式−１インペラー、型式−２インペラーとする。
   型式−１インペラーの構造は次の如くする。
   インペラー中央に配置する１枚の円板を基板（以下基板と記す）とし、基板の両面に羽根をつけてインペラーを構成させる。即ち羽根は２組となる。
   インペラー中央に両側面から吸入する為の吸入孔をあけ、吸入孔の中央に基板を貫通する軸（以下インペラー軸と記す）を通し基板と連結させ、且つインペラー軸は吸入孔外までのばし、これの両端にローターを取り付ける。
   即ち吸入孔は中央で基板により遮断された状態とする。
   型式−２インペラーの構造は次の如くする。
   羽根は中央に１組のみとし、吸入孔は貫通孔とする。インペラーの両側面に全面又は一部に側板を取り付けて、これにローターを直接取り付けるようにする。型式−２インペラー使用の場合はインペラー側板と内ケーシング内側壁間を流れる還流を阻止する為の還流阻止器具を取り付ける。
   上記の２型式の構造のインペラーを有する請求項１記載の横型ポンプ。
3. ローターは非磁性、電気良導体の材質で作られた中空円筒で必要に応じ樹脂等でコーティングをする。ローターはインペラーとの連結方法により型式−１ローター、型式−２ローターの２種類とする。型式−１ローターは型式−１インペラーとの連結用でその構造は次の如くとする。
   底を有する中空円筒で底をインペラー軸の先端に固定する。亦底に複数個の液還流用の小孔をあけておく。
   型式−２ローターは型式−２インペラーとの連結用でその構造は次の如くとする。インペラーとの取り付け用フランジを有する底のない中空円筒で吸入液路に面する部分のローター筒壁に複数個の孔をあけ残りの筒壁を液が筒内に入り易いよう翼状にする。
   上記の２型式の構造のローターを有する請求項１記載の横型ポンプ。

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