JP2008297997A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータおよびインペラとこれらを包囲するケーシングとの間の接触、摺動が発生しないポンプ装置を提供する。
【解決手段】ポンプ装置のインペラ２０の側面２０ｘ，２０ｙのそれぞれの外周に沿って突条部２０ｐｘ，２０ｐｙを設け、側面２０ｘ，２０ｙとそれぞれ対向するインペラケーシング内側面２１ｘ，２１ｙの突条部２０ｐｘ，２０ｐｙよりも外周領域にそれぞれの突条部２０ｐｘ，２０ｐｙを包囲する環状壁４１ｘ，４１ｙを設けている。インペラ２０が回転軸心Ｄ方向に移動して側面２０ｘとインペラケーシング内側面２１ｘとが接近、離隔すると互いに離隔、接近する流量調整面を、突条部２０ｐｘと環状壁４１ｘの対向部分にそれぞれ設けている。同様に、側面２０ｙとインペラケーシング内側面２１ｙとが接近、離隔すると互いに離隔、接近する流量調整面を、突条部２０ｐｙと環状壁４０ｙの対向部分にそれぞれ設けている。
【選択図】図７

Description

本発明は、クローズド型のインペラの片面に固定された金属製円筒ロータを回転磁界発生装置で間接的に駆動することによってロータおよびインペラをインペラケーシング内で非接触状態に保持して回転させる機構を備えたポンプ装置に関する。

ノンシール構造で液体中に軸がなく、インペラを液体中に浮かせた状態で回転させる機構を有するポンプ装置については、従来、様々な種類のものが出願されている。これらのポンプ装置に発生するトラブルとしては、ロータとキャン（ロータと回転磁界発生装置とを隔てる隔壁）との接触に起因するものが多い。このようなトラブルを回避するため、インペラケーシング内のインペラよりも外周領域に、インペラの回転軌跡と平行な円弧状の隔壁を設け、隔壁の片端部をインペラケーシングの一部に開設された吐出口の内側開口に臨ませて配置し、隔壁の他端部を吐出口と対向する位置に配置したポンプ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１記載のポンプ装置によれば、吐出口に臨む位置の液圧と、吐出の対向位置の液圧とが殆ど同等となり、回転中のインペラが吐出口方向へ引き寄せられる現象がなくなるため、ロータとキャンとの間、インペラとケーシングとの間の接触、摺動がなくなり、これらの接触、摺動に起因するトラブルを防止することができる。

特開２００５−９０４７８号公報

特許文献１記載のポンプ装置において、回転中のインペラが、何らかの原因により、回転軸心に沿って片方へ移動すると、インペラの片方の側面とインペラケーシング内側面との隙間が縮小するとともに、同インペラの他方の側面とインペラケーシング内側面との隙間が拡大するため、拡大した方の隙間の液体流量が増大する。流量が増大すると動圧も増大して、拡大した隙間をさらに拡げようとするため、インペラはさらに片方へ移動し、ロータとキャンとの間およびインペラとインペラケーシングとが接触したり、摺動したりすることがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ロータおよびインペラとこれらを包囲するケーシングとの間の接触、摺動が発生しないポンプ装置を提供することにある。

本発明のポンプ装置は、クローズド型のインペラの駆動側面にその回転軸心と同軸上に固定された金属製の円筒状ロータを隔壁を隔てて配置された回転磁界発生装置で間接駆動してロータおよびインペラをケーシング内で非接触状態に保持して回転させる機構を備えた、片吸込、上方吐出および片側駆動方式の横置型のポンプ装置において、
前記インペラの二つの側面のそれぞれの外周に沿って拡径方向に突出した突条部を設け、前記インペラの側面とそれぞれ対向する前記インペラケーシング内側面における前記突条部よりも外周領域にそれぞれの前記突条部を包囲する環状壁を設け、
前記インペラの回転軸心方向の移動に伴って前記側面と前記インペラケーシング内側面とが接近、離隔すると互いに離隔、接近する流量調整面を、前記側面の突条部と前記環状壁の対向部分にそれぞれ設けたことを特徴とする。

このような構成とすれば、回転中のインペラが回転軸心に沿って一方へ移動し、インペラの片方の側面とインペラケーシング内側面とが接近すると、前記片方の側面の突条部と環状壁との対向部分にそれぞれ設けられた流量調整面が互いに離隔するとともに、他方の側面の突条部と環状壁との対向部分にそれぞれ設けられた流量調整面が互いに接近する。このため、互いに接近した前記片方の側面とインペラケーシング内側面との間の流量が増大して動圧も増大し、互いに離隔した前記他方の側面とインペラケーシング内側面との間の流量は減少して動圧も減少する。

従って、回転軸心に沿って一方へ移動したインペラは前述した二つの側面における動圧の変化により、インペラの二つの側面における動圧が互いに等しくなる位置、即ち、インペラの二つの側面とインペラケーシング内側面との隙間がそれぞれ互いに等しくなる位置へ復帰する。このようなインペラ復帰機能は、インペラが回転軸心に沿っていずれの方向へ移動した場合にも生じるため、回転中のインペラを常に所定位置に保持することができる。このため、ロータおよびインペラとこれらを包囲するケーシングとの間の接触、摺動が発生しない。

一方、回転中のインペラが回転軸心に沿って一方へ移動し、インペラの片方の側面とインペラケーシング内側面とが接近し、互いに離隔した流量調整面の間への液体流入量が極端に増大すると、インペラが他方の側面方向へ激しく移動することがある。そこで、前記環状壁の内周領域と外周領域とを連通する貫通孔を当該環状壁に設けることが望ましい。このような構成とすれば、互いに離隔した流量調整面の間への液体流入量が緩和されるため、インペラを緩やかに移動させることができる。

本発明により、ロータおよびインペラとこれらを包囲するケーシングとの間の接触、摺動が発生しないポンプ装置を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態であるポンプ装置の断面図、図２は図１に示すポンプ装置の一部切欠分解図、図３は図１におけるＸ１−Ｙ１線断面図、図４はケーシング内に隔壁のない従来形式のポンプ装置におけるケーシング内の液体の挙動を示す図、図５は図４に示すポンプ装置におけるインペラ、ロータと、ケーシング、キャンとの接触状態を示す図、図６は図１に示すポンプ装置におけるケーシング内の液体の挙動を示す図である。

図１に示すポンプ装置４０の仕様は以下の通りである。外部よりの吸込管の口径（吸込口２６の口径）φ３２ｍｍ、吐出管の口径（吐出口２７の口径）φ２０ｍｍである。インペラ２０の材質はＰＶＣであり、その外径は８０ｍｍであり、吸込孔２０ａの口径φ３２ｍｍであり、インペラ羽根数は５枚である。ロータ３０は厚さ３ｍｍのアルミニウム製円筒体で形成され、その露出面には厚さ２００μｍのテフロン（登録商標）がコーティングされている。キャン３８は厚さ２ｍｍの二重円筒構造であり、内キャン３１および外キャン３２で構成されている。内キャン３１、外キャン３２とロータ３０との隙間はそれぞれ２ｍｍとなっている。主ケーシング２１は二重壁構造であり、通液幅１０ｍｍである。

回転磁界発生装置を構成する外磁石３３および内磁石３４の個数は内外磁石３３，３４共に４Ｐであり、その材質はネオジ磁石である。駆動モータ３７は３φ，２００Ｖタイプで、その出力は０．４ｋＷである。楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８は楔用液体を取り込むための凹溝２５−３と交互に合計８面形成され、それぞれの楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８（図８参照）の傾斜角度θ＝２度である。また、ポンプ装置は、その吐出量５０ｌ／ｍｉｎであり、揚程８ｍであり、ポンプ効率２４％である。

図１，図２に示すように、ポンプ装置４０において、インペラケーシング２１は、隔壁２３−１およびケーシング主板２３を吸い込み側のケーシング側板２１−１，キャン側のケーシング側板２１−２で挟持することによって形成され、これらの部材を締め付けボルト２８で締め付けることによって固定されている。インペラケーシング２１内にインペラ２０が配置され、このインペラ２０の片面（駆動側面）にその回転軸心と同軸上にアルミニウム製のロータ３０が固定されている。締め付けボルト２８を緩めて取り外せば、インペラ２０およびロータ３０は簡単に取り出したり、元の場所へ配置したりすることができる。ロータ３０は非磁性電気良導体であるアルミニウム製の中空円筒体であり、その露出面にはテフロン（登録商標）樹脂がコーティングされている。

インペラ２０およびロータ３０（以下、「回転部分」と記す。）は、ケーシング２１およびキャン３８（内キャン３１，外キャン３２）内において自由に回転し得るように配置されている。キャン３８（内キャン３１，外キャン３２）は、非磁性高電気抵抗の材質で作られた二重円筒構造であり、内キャン３１の底部（インペラ２０寄りの部分）は閉塞され、他方部分（駆動モータ３７寄りの部分）は内キャン３１および外キャン３２が互いに接合された閉鎖形状となっている。

内キャン３１の内側および外キャン３２の外側には隙間を置いてそれぞれ外磁石３３、内磁石３４が複数組配置されている。これらの外磁石３３、内磁石３４は、それぞれ外磁石用ヨーク３３−１，内磁石用ヨーク３４−１からなる二重円筒体形状の磁石ホルダ３５に取り付けられている。そして、この磁石ホルダ３５の軸心部分が、ホルダ連結軸３６を介して駆動モータ３７の出力軸（図示せず）に連結されている。

ここで、図３を参照して、内磁石３４、外磁石３３の配置状態について説明する。図３に示すように、内磁石用ヨーク３４−１に取り付けられた内磁石３４と、外磁石用ヨーク３３−１に取り付けられた外磁石３３の相対向する面は互いに異極であり、複数の内磁石３４、外磁石３３におけるそれぞれの各相隣れる面の磁性も互いに異なるように配置している。これらの内磁石３４および外磁石３３は、磁石ホルダ３５の軸心に固定されたホルダ連結軸３６を介して一つの駆動モータ３７で同時に回転駆動される。

このように、磁石ホルダ３５とともに内磁石３４および外磁石３３を回転させることにより、内磁石３４と外磁石３３との間には回転磁界が発生し、内磁石３４と外磁石３３との間の磁束がロータ３０と交差して、ロータ３０に誘導電流を発生させ、ロータ３０に回転力および反発力を発生させる。そして、これらの回転力および反発力がインペラ２０の回転駆動力となる。

ロータ３０はインペラ２０の片面（駆動側面）のみに取り付けられているため、インペラ２０およびロータ３０を含む回転部分の重心点はインペラ２０のロータ３０寄りの部分に位置することとなり、インペラ２０が左右に振れるおそれがある。これを防ぐため、インペラ２０の駆動面（ロータ３０が取り付けられている面）の反対側に位置する吸込側面を構成するインペラ側板２０−１に、ロータ３０と反対側へ突出した円筒状のバランス用筒体２０−３を設けている。バランス用筒体２０−３はインペラ２０の回転軸心と同軸上に設けられ、このバランス用筒体２０−３と対向する吸込側ケーシング側板２１−１内側面にバランス用筒体２０−３の先端側が収容される円形の凹溝２１ａが形成されている。

このようなバランス用筒体２０−３および凹溝２１ａを設けたことにより、回転中のバランス用筒体２０−３と凹溝２１ａとの隙間に存在する液体によりラジアル方向の楔効果が生じるため、バランス用筒体２０−３は凹溝２１ａ内壁に接触することなく、凹溝２１ａ内に安定保持された状態で回転する。従って、ロータ３０とキャン３８との隙間で生じている楔効果と、このバランス用筒体２０−３と凹溝２１ａと３０隙間で生じている楔効果とが相俟って、回転中のインペラ２０およびロータ３０の安定性がさらに向上する。このため、インペラ２０とインペラケーシング２１およびロータ３０とキャン３８との接触、摺動がなくなり、これらの接触、摺動に起因する故障を防止することができる。本実施形態において、バランス用筒体２０−３の内径および外径は、ロータ３０の内径および外径と同等としたところ、インペラ２０およびロータ３０の安定性は優れたものとなった。

また、図２および後述する図６に示すように、インペラ２０にその回転軸心と同軸上に貫通した吸込孔２０ａを開設し、インペラ２０の吸込側面と対向するケーシング側板２１−１内面に吸込孔２０ａと同軸上に開設された流体吸込口２６の周縁部に、吸込孔２０ａ内へ突出した補助吸入筒２１−１−１（図１参照。）を設けている。補助吸入筒２１−１−１を設けたことにより、インペラ２０の回転開始時あるいは回転中に、インペラ２０内に吸い込まれた流体によって発生するインペラ２０のスラスト方向の移動を緩和することができる。このため、インペラ２０の回転開始時および回転中のインペラ２０とインペラケーシング２１との接触、摺動を防止することができる。

さらに、インペラ２０の駆動側面と対向するケーシング側板２１内面の中央部分（内キャン３１の底部）に、吸込孔２０ａ内へ突出した流入液調整ボス３１−１を設けている。このような流入液調整ボス３１−１を設けたことにより、前述と同様、インペラ２０の回転開始時あるいは回転中にインペラ２０内に吸い込まれた流体によって発生するインペラ２０のスラスト方向の移動を緩和することができる。このため、インペラ２０の回転開始時および回転中のインペラ２０とインペラケーシング２１との接触、摺動を防止することができる。

また、流入液調整ボス３１−１の先端面には、頂点部分がインペラ２０の回転軸心上に位置し、その裾野部分が滑らかに広がった円錐形状の突出部３１−１ａを設けている。このような突出部３１−１ａを設けたことにより、インペラ２０の回転軸心に沿って吸込孔２０ａに流入する液体を、突出部３１−１ａの外周面に沿って放射方向へ均等に分散誘導することが可能となる。このため、インペラ２０のスラスト方向の移動が緩和され、回転開始時および回転中のインペラ２０の安定性をさらに向上させることができる。

ここで、図４はケーシング内に隔壁のない従来形式のポンプ装置の一部を示す断面図であり、吐出口２７が上方にある場合のポンプインペラ２０とインペラケーシング２１との関係を示している。図４において、インペラ２０の中心点をφ₁とすると、インペラ２０が回転し、突出口２７から液体の吐出が始まると、インペラケーシング２１内における吐出口２７に臨む位置の液圧Ｐ₁は、吸込口２６を挟んだ対称位置における液圧Ｐ₂より低くなる。このとき、インペラケーシング２３内にて非接触状態にあるインペラ２０は、液圧Ｐ₁と液圧Ｐ₂との圧力差により、図５に示すように、上方に押し上げられ、ロータ３０が内キャン３１および外キャン３２に当たり、インペラ２０およびロータ３０は傾いたまま回転することとなる。このとき、ロータ３０と内キャン３１，外キャン３２とはＱ₁，Ｑ₂の部分で接触し、インペラ２０と吸込側ケーシング側板２１−１およびキャン側ケーシング側板２１−２とはＱ₃，Ｑ₄の部分で接触する。このような接触によって発生する摺動が単なる反発力不足によるものであれば、ロータ３０と、内キャン３１および外キャン３２とが全面的に摺動する筈である。しかしながら、このような接触、摺動が部分的にしか起こっていないことを考慮すれば、単なる反発力不足とはいえない。

そこで、前述した接触、摺動現象を解決するため、本実施形態のポンプ装置４０においては、図６に示すような構造を採用している。図６に示すように、インペラケーシング２１内のインペラ２０よりも外周領域に、この外周領域を外周側と内周側に区画するためインペラ２０の回転軌跡と平行な円弧状の隔壁２３−１を設け、隔壁２３−１の片端部２３−１ａをケーシング２１の上端部に開設された吐出口２７の内側開口に臨ませて配置し、隔壁２３−１の他端部２３−１ｂを吐出口２７と対向する位置付近に配置している。

これにより、隔壁２３−１と外壁２３−２とによって円弧状の二重壁が形成され、これらの二重壁と対向する位置に円弧状の閉鎖壁２３−５が配置された構造となる。そして、隔壁２３−１の片端部２３−１ａおよび他端部２３−１ｂと、閉鎖壁２３−５との間にはそれぞれインペラ２０の外周領域と連通する吐出孔２３−３，２３−４が開設され、その周方向の広さが略同じとなっている。下方の吐出孔２３−４を通過した液体流は隔壁２３−１と外壁２３−２との間の吐出液通路２４を流動し、吐出口２７に臨む位置において、上方の吐出孔２３−３を通過した液体流と合流する。

このように、ケーシング２１内のインペラ２０よりも外周領域に円弧状の隔壁２３−１を設け、その片端部２３−１ａを吐出口２７の内側開口に臨ませて配置し、他端部２３−１ｂを吐出口２７と対向する位置付近に配置すると、吐出孔２３−３における液圧Ｐ₃≒吐出孔２３−４における液圧Ｐ₄となる。従って、インペラ２０は回転軸心からずれることなく正常位置にて回転し、回転部分の傾きも発生せず、図４，図５に示す従来のポンプ装置で発生していたロータ２０と内キャン３１、外キャン３２との接触、摺動現象、インペラ２０の傾きによるケーシング２１との接触、摺動現象をなくすことができた。また、図７に示すように、吐出孔２３−３，２３−４は、インペラ側板２０−１，２０−２の外周に位置するようにそれぞれ一対ずつ開設されているため、インペラ２０の外周領域の液体流はそれぞれ一対の吐出孔２３−３，２３−４に分かれて流入する。このため、回転中のインペラ２０のブレが減少し、極めて安定した回転状態を得ることができる。

一方、本実施形態のポンプ装置４０においては、インペラ２０にスラスト力（回転軸心方向の力＝ホルダ連結軸３６の軸方向の力）が発生し、この大きさは、ポンプの揚程、吐出量によって変化する。このようなスラスト力により、インペラ２０は左右に傾くため、そのままではケーシング２１と摺動することがある。これを防止するため、ポンプ装置４０では、図１に示すように、インペラ側板２０−１，２０−２と対向するケーシング側板２１−１，２１−２にそれぞれ楔面部２５−１，２５−２を設けている。楔面部２５−１，２５−２は、後述する図８に示すように、インペラ２０の回転軸心を中心に放射状に形成された８本の凹溝２５−３と、これらの凹溝２５−３によって区画された８つの領域にそれぞれインペラ回転方向Ｒに沿って上り勾配をなすように形成された楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８とによって構成されている。

このような楔面部２５−１，２５−２を設ければ、前記スラスト力などによりインペラ２０がケーシング側板２１−１，２１−２に近づいたときに、このインペラ２０と楔面部２５−１，２５−２との隙間に流入した液体による楔効果が生じるため、両者の接触を防ぐことができる。

ここで、図７〜図９を参照して、楔効果について詳しく説明する。図７は図１に示すポンプ装置の一部拡大図、図８は図７におけるＸ２−Ｙ２線矢視図であり、図９はインペラ側板２０−１（２０−２）と楔面部２５−１（２５−２）との関係を示す図である。

図７，図８に示すように、ケーシング側板２１−２の楔面部２５−２は複数の凹溝２５−３によって複数の楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８で区画されている。図８において、複数の枝線を付した円弧状の矢線３９は楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８の上り勾配を表し、Ｒはインペラ２０の回転方向を表し、Ｗは楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８に入ってきた液体の流動方向を表している。図９において、θは楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８の傾斜角度を表し、ｇ₁，ｇ₂はケーシング側板２１−２の楔面部２５−１（２５−２）と、インペラ側板２０−１（２０−２）との隙間を表している。

楔面部２５−１（２５−２）によって生じる反発力ＦＡは、概略、下記のように表される。液体の粘度、楔面部２５−１（２５−２）への液体の流入速度（本実施形態ではインペラ２０の回転数に比例すると仮定する。）が一定ならば、
ＦＡ∝（ｂ²×Ｌ×ｎ）／ｇ₁ ²
（ｂ：楔形傾斜面の幅、Ｌ：楔形傾斜面の長さ、ｎ：楔形傾斜面の数）
と表すことができる。ここで、ｇ₂は楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８への流入口側の隙間であり、ｇ₁は流出側の隙間であり、ｇ₂／ｇ₁＝２〜４の値が通常であり、これにより、Ｌおよびθが決まってくる。以上より、インペラ２０の外径が小さいと、楔面部２５−１（２５−２）と対向し得る面積（ｂ×Ｌ）が狭くなり、楔効果は減少することとなるが、特に、幅ｂが狭くなると大きく減少する傾向がある。

このような楔効果の減少への対策として、インペラ２０の外径が小さいときには、インペラ２０の羽根はそのままにして、インペラ２０の側板のみを大きくし、対向するケーシング側板２１−１，２１−２の楔面部２５−１，２５−２も拡げることが望ましい。すなわち、図８に示すように、インペラ２０を構成するインペラ側板２０−１，２０−２の外周に延長部分２０−１−１，２０−２−１を設けるとともに、これに対向するケーシング側板２１−１，２１−２の楔面部２５−１，２５−２も拡大することにより、必要とする楔効果を確保することができる。

ポンプ装置４０において液体中で金属を使用せねばならないはロータ３０のみである。ロータ３０は腐蝕（含電蝕）防止のため、その露出面（液体との接触面）を樹脂などで十分にコーティングまたはライニングを施す必要があるが、コーティングなどを施したロータ３０をインペラ２０に取り付けるとき、ネジ、ビスなどで直接取り付けず、間接的に取り付けるべきである。即ち、図１０に示すように、インペラ２０に対してロータ３０をビス３０−２で直接取り付けず、樹脂で作った取り付け用補助板３０−１を介して取り付けることが望ましい。これは、ロータ３０にビス孔をあけた場合、ビス孔の内部を完全にコーティングすることは困難であり、ビス孔内部にコーティング不良の部分があると、これが電蝕の原因になるからである。

本実施形態のポンプ装置４０が、起動から全速運転に至るまでの間に、ロータ３０が回転磁界装置（外磁石３３、内磁石３４、磁石ホルダ３５）から受ける回転力、反発力および楔効果によるキャン３８とロータ３０間の液体流による反発力の特性をグラフに示すと図１１に示すようになる。図１１においては、ロータ３０の速度（すべりＳ）を横軸にとり、縦軸にロータ３０が受ける回転力Ｔと、ロータ３０が磁界から受ける反発力Ｆｍと、楔効果による反発力ＦＡとをとった場合の特性を示している。

図１１において、曲線Ｃ１は回転力Ｔ、曲線Ｃ２は磁界による反発力Ｆｍ、曲線Ｃ３は楔効果による反発力ＦＡを示す。ここにおいて、すべりＳは、外磁石３３，内磁石３４の回転数ｎｏ、ロータ３０の回転数ｎとしたとき、Ｓ＝（ｎｏ−ｎ）／ｎｏである。回転磁界によりロータ３０が受ける回転力Ｔは、Ｇａｐの極めて大きい汎用駆動モータの回転力−速度特性と近似するので、概略Ｃ１のようになる。ロータ３０が回転磁界から受ける反発力Ｆｍは、Ｓ・Ｒｍ＞１の場合は反発力となり、Ｓ・Ｒｍ＜１の場合は吸引となる。ここで、Ｒｍは、磁石３３，３４とロータ３０間の磁気的ギャップ、ロータ３０の厚み、材質などによって決まる数値であり、磁気レイノルズ数といわれている。

図１１に示すように、Ｓが最大になる点は、すなわち起動時でＳ＝１なので、このとき反発力が最大である。即ち、ロータ３０は起動時に最大の反発力を受けるため、先ず浮上した後、回転を始める。これにより、起動時、ロータ３０とキャン３８との摺動が発生しないこととなり、好都合である。

一方、ロータ３０の回転数が上昇すると、すなわち、インペラ２０の回転数が上昇するとＳ＝０では反発力は０となる。しかしながら、キャン３８とロータ３０間で発生している楔効果による反発力は、液体が存在する限り、ロータ３０の回転数が上昇するとそれに比例して大きくなる。ロータ３０すなわちインペラ２０が正常回転になったときのすべりＳ１とすると、ロータ３０の受ける反発力はＦｍＳ１＋ＦＡＳ１となり、ロータ３０は浮上し安定する。しかし、液体が存在しないとＦＡ＝０となり、ロータ３０の回転数はさらに上がりＦｍは極めて小さくなり、反発力は殆どなくなる。

このことは、液体が存在しないと反発力は極めて小さくなり、ロータ３０とキャン３８とは摺動することを示す。したがって、ポンプ装置においては空運転防止対策が必要であり、少なくともケーシング２１内が空のときは、駆動モータ３７が起動できないようにする必要がある。

そこで、本実施形態のポンプ装置４０においては、前述した図１に示すように、吐出口２７付近に液体の有無を検出する液体センサ２９を取り付け、液体センサ２９からの液体検出信号をポンプ装置の起動条件としている。即ち、液体センサ２９からの液体検出信号がない場合、駆動モータ３７が起動しないようになっている。これにより、ポンプ装置４０の空運転を防止することができる。なお、ポンプ装置４０の空運転を防止する手段としては、ポンプ停止時においてもポンプケーシング内に液体を充満させておく方法もある。

本実施形態のポンプ装置４０においては、起動、停止、運転中はもとより吐出バルブの全開と全閉のいずれの状況においても回転部分（ロータ３０、インペラ２０）と周壁（ケーシング２１、キャン３８）との摺動痕跡は認められなかった。検査は、回転部分に検査用塗装を施して運転を行った後、その検査用塗装の剥離の有無によって摺動の有無を検査したほか、微細スラリーや石灰石液にてのテストにおいても支障はなかった。また、吸込口２６に連結された吸込管（図示せず）に逆止弁（図示せず）をつけることにより、常時再起動も可能となることも確認した。

このように、本実施形態のポンプ装置４０はノンシール構造であって、液体中に軸受けがなく、回転部分（ロータ３０、インペラ２０）は、周壁（ケーシング２１、キャン３８）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できるので、摺動などによるコンタミの発生は全くない。また、液体と接触する部分を全て合成樹脂材料、または樹脂コーティング材あるいはセラミックス材などで製作することができるので、接液面に金属材料を使用する必要がない。従って、ポンプ装置４０で送給する液体中への金属イオンの溶出をなくすことができる。また、運転中の摺動部分がないことは、故障の激減、寿命の長期化を実現し、メンテナンスフリーの状態にもなり得る。

次に、図１，図２，図７，図１２〜図１４に基づいて、インペラ２０の自動復帰機能について説明する。図１はポンプ装置４０を示す垂直断面図、図２は図１に示すポンプ装置４０の一部切欠分解図、図７は図１に示すポンプ装置４０の一部拡大図、図１２は図７の一部拡大図、図１３は図１２に示すインペラ２０の挙動を示す図、図１４は図１２に示すインペラ２０の挙動を示す図である。

図１，図２，図７および図１２に示すように、ポンプ装置４０においては、インペラ２０の二つの側面２０ｘ，２０ｙのそれぞれの外周に沿って拡径方向に突出した突条部２０ｐｘ，２０ｐｙを設け、インペラ２０の二つの側面２０ｘ，２０ｙとそれぞれ対向するインペラケーシング内側面２１ｘ，２１ｙにおける突条部２０ｐｘ，２０ｐｙよりも外周領域にそれぞれの突条部２０ｐｘ，２０ｐｙを包囲する環状壁４１ｘ，４１ｙを設けている。そして、図１２に示すように、インペラ２０の回転軸心Ｄ方向（図７参照）の移動に伴って側面２０ｘとインペラケーシング内側面２１ｘとが接近、離隔すると互いに離隔、接近する流量調整面２０ｘｓ，４１ｘｓを、側面２０ｘの突条部２０ｐｘと環状壁４１ｘの対向部分にそれぞれ設けている。同様に、インペラ２０の回転軸心Ｄ方向の移動に伴って側面２０ｙとインペラケーシング内側面２１ｙとが接近、離隔すると互いに離隔、接近する流量調整面２０ｙｓ，４１ｙｓを、側面２０ｙの突条部２０ｐｙと環状壁４０ｙの対向部分にそれぞれ設けている。

通常運転中は、図１２に示すように、インペラ２０は、二つの側面２０ｘ，２０ｙがそれぞれ対向するインペラケーシング内側面２１ｘ，２０ｙから等間隔を保ちながら回転している。ここで、図１３に示すように回転中のインペラ２０が回転軸心Ｄ（図７参照）に沿って左側へ移動し、インペラ２０の片方の側面２０ｘとインペラケーシング内側面２１ｘとが接近すると、片方の側面２０ｘの突条部２０ｐｘと環状壁４１ｘとの対向部分にそれぞれ設けられた流量調整面２０ｘｓ，４１ｘｓが互いに離隔するとともに、他方の側面２０ｙの突条部２０ｐｙと環状壁４１ｙとの対向部分にそれぞれ設けられた流量調整面２０ｙｓ，４１ｙｓが互いに接近する。このため、互いに接近した片方の側面２０ｘとインペラケーシング内側面２１ｘとの間の流量は増大して動圧が増大するとともに、互いに離隔した他方の側面２０ｙとインペラケーシング内側面２１ｙとの間の流量が減少して動圧が減少する。

従って、回転軸心Ｄ（図７参照）に沿って左側へ移動したインペラ２０は、前述した二つの側面２０ｘ，２０ｙにおける動圧の変化により、インペラ２０の側面２０ｘ，２０ｙにおける動圧が等しくなる位置、即ち、図１２に示すように、インペラ２０の二つの側面２０ｘ，２０ｙとインペラケーシング内側面２１ｘ，２１ｙとの隙間がそれぞれ互いに等しくなる位置へ自動的に復帰する。

一方、図１４に示すように回転中のインペラ２０が回転軸心Ｄ（図７参照）に沿って右側へ移動し、インペラ２０の片方の側面２０ｙとインペラケーシング内側面２１ｙとが接近すると、側面２０ｙの突条部２０ｐｙと環状壁４１ｙとの対向部分にそれぞれ設けられた流量調整面２０ｙｓ，４１ｙｓが互いに離隔するとともに、側面２０ｘの突条部２０ｐｘと環状壁４１ｘとの対向部分にそれぞれ設けられた流量調整面２０ｘｓ，４１ｘｓが互いに接近する。このため、互いに接近した側面２０ｙとインペラケーシング内側面２１ｙとの間の流量は増大して動圧が増大するとともに、互いに離隔した側面２０ｙとインペラケーシング内側面２１ｙとの間の流量が減少して動圧が減少する。

従って、回転軸心Ｄ（図７参照）に沿って左側へ移動したインペラ２０は、前述した二つの側面２０ｘ，２０ｙにおける動圧の変化により、インペラ２０の側面２０ｘ，２０ｙにおける動圧が等しくなる位置、即ち、図１２に示すように、インペラ２０の二つの側面２０ｘ，２０ｙとインペラケーシング内側面２１ｘ，２１ｙとの隙間がそれぞれ互いに等しくなる位置へ自動的に復帰する。

このように、インペラ２０が回転軸心Ｄに沿っていずれの方向へ移動した場合でも、前述した機構によりインペラ２０が自動的に図１２に示す状態に復帰するため、回転中のインペラ２０を常に所定位置に保持することができる。このため、ロータ３０およびインペラ２０とこれらを包囲するケーシング側板２１−１，２１−２等との間における接触、摺動が発生しない。

ところで、回転中のインペラ２０が回転軸心Ｄに沿って左側（右側）へ移動し、図１３（図１４）に示すように、インペラ２０の片方の側面２０ｘ（２０ｙ）とインペラケーシング内側面２１ｘ（２１ｙ）とが接近して、互いに離隔した流量調整面２０ｘｓ，４１ｘｓ（２０ｙｓ，４１ｙｓ）の間への液体流入量が極端に増大すると、インペラが他方の側面２０ｙ（２０ｘ）方向へ激しく移動することがある。そこで、ポンプ装置４０においては、図１２に示すように、二つの環状壁４１ｘ，４１ｙの内周領域と外周領域とをそれぞれ連通する貫通孔４２ｘ，４２ｙを当該環状壁４１ｘ，４１ｙに設けている。このような貫通孔４２ｘ，４２ｙを設ければ、互いに離隔した流量調整面２０ｘｓ，４１ｘｓ（２０ｙｓ，４１ｙｓ）の間への液体流入量が緩和されるため、片方に移動したインペラ２０を緩やかに元の位置まで移動させることができる。なお、貫通孔４２ｘ，４２ｙの形状は限定しないので、円形あるいは多角形などとすることができる。

本発明のポンプ装置は、純粋液、腐蝕液にも使用できるほか、微細スラリー混入液などの各種液体を汲み上げたり、移送したりする様々な技術分野において広く利用することができる。

本発明の実施の形態であるポンプ装置を示す垂直断面図である。 図１に示すポンプ装置の一部切欠分解図である。 図１におけるＸ１−Ｙ１線断面図である。 ケーシング内に隔壁のないポンプ装置におけるケーシング内の液体の挙動を示す図である。 図４に示すポンプ装置におけるインペラ、ロータと、ケーシング、キャンとの接触状態を示す図である。 図１に示すポンプ装置におけるケーシング内の液体の挙動を示す図である。 図１に示すポンプ装置の一部拡大図である。 図７におけるＸ２−Ｙ２線矢視図である。 図１に示すポンプ装置を構成する楔面とインペラとの位置関係を示す図である。 ロータの取り付け構造に関するその他の実施の形態を示す断面図である。 図１に示すポンプ装置を構成するロータの動作特性図である。 図７の一部拡大図である。 図１２に示すインペラの挙動を示す図である。 図１２に示すインペラの挙動を示す図である。

符号の説明

１ インペラ
２ インペラとロータ連結軸
３ インペラ主ケーシング
４ インペラケーシング内側板
５ キャン
６ 内外磁石ホルダ
７ 外磁石
８ 内磁石
９ ロータ
１０ ポンプケーシング
１１ タイミングプーリ
１２ タイミングベルト
１３ 駆動モータ
１３ａ 出力軸
１４ 締め付けボルト
１５ 吸込口
１６ 吐出口
２０ インペラ
２０ａ 吸込孔
２０ｃ インペラ中心
２０ｐｘ，２０ｐｙ 突条部
２０ｘ，２０ｙ 側面
２０ｘｓ，２０ｙｓ，４１ｘｓ，４１ｙｓ 流量調整面
２０−１，２０−２ インペラ側板
２０−１−１，２０−２−１ 延長側板
２０−３ バランス用筒体
２１ インペラケーシング
２１ｘ，２１ｙ インペラケーシング内側面
２１ａ，２５−３ 凹溝
２１−１，２１−２ ケーシング側板
２１−１−１ 補助吸入筒
２２ 駆動部ケーシング本体
２３ ケーシング主板
２３−１ 隔壁
２３−１ａ 片端部
２３−１ｂ 他端部
２３−２ 外壁
２３−３ 上部吐出孔
２３−４ 下部吐出孔
２３−５ 閉鎖壁
２４ 吐出液通路
２５−１，２５−２ 楔面部
２５−３ 凹溝
２６ 吸込口
２７ 吐出口
２８ 締め付けボルト
２９ 液体検出センサ
３０ ロータ
３０−１ 取り付け用補助板
３０−２ ネジ
３１ 内キャン
３１−１ 流入液調整ボス
３１−１ａ 突出部
３２ 外キャン
３３ 外磁石
３３−１ 外磁石用ヨーク
３４ 内磁石
３４−１ 内磁石用ヨーク
３５ 磁石ホルダ
３６ ホルダ連結軸
３７ 駆動モータ
３８ キャン
３９ 矢線
４０ ポンプ装置
４１ｘ，４１ｙ 環状壁
４２ｘ，４２ｙ 貫通孔
Ｄ 回転軸心
Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄液圧
Ｑ₁ ロータとキャンの接触点
Ｑ₂ ロータとキャンの接触点
Ｑ₃ インペラとケーシングの接触点
Ｑ₄ インペラとケーシングの接触点
Ｂ１〜Ｂ８ 楔形傾斜面
Ｒ インペラの回転方向
Ｗ 液体の流入方向
θ 楔形傾斜面の傾斜角
ｇ₁，ｇ₂ 楔形傾斜面とインペラ側板との隙間
ｂ 楔形傾斜面幅
Ｌ 楔形傾斜面長さ
Ｓ スリップ
Ｔ 回転力
Ｆ 吸引力
Ｆｍ 反発力
ＦＡ 楔効果による反発力
Ｃ１ Ｔ−Ｓ特性曲線
Ｃ２ Ｆｍ−Ｓ特性曲線
Ｃ３ ＦＡ−Ｓ特性曲線
Ｓ１ 正常運転時のスリップ

Claims (2)

1. クローズド型のインペラの駆動側面にその回転軸心と同軸上に固定された金属製の円筒状ロータを隔壁を隔てて配置された回転磁界発生装置で間接駆動してロータおよびインペラをケーシング内で非接触状態に保持して回転させる機構を備えた、片吸込、上方吐出および片側駆動方式の横置型のポンプ装置において、
   前記インペラの二つの側面のそれぞれの外周に沿って拡径方向に突出した突条部を設け、前記インペラの二つの側面とそれぞれ対向する前記インペラケーシング内側面における前記突条部よりも外周領域にそれぞれの前記突条部を包囲する環状壁を設け、
   前記インペラの回転軸心方向の移動に伴って前記側面と前記インペラケーシング内側面とが接近、離隔すると互いに離隔、接近する流量調整面を、前記側面の突条部と前記環状壁の対向部分にそれぞれ設けたことを特徴とするポンプ装置。
2. 前記環状壁の内周領域と外周領域とを連通する貫通孔を当該環状壁に設けた請求項１記載のポンプ装置。

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