JP2010501782A - 移送ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、調量された移送量用の可変速駆動装置を備えた移送ポンプであって、ポンプ入口とポンプ出口との間で流体を移送するためにポンプケーシングのインペラー室内で密封間隙なしに回転可能に配置される遠心型半径流ホイールを備えた単段回転ポンプとして移送ポンプが形成されているものに関する。半径流ホイールは毎分５桁の回転数範囲内で回転数を変更可能な駆動モータと結合されており、半径流ホイールは中心で流入させ、移送通路を備えており、かつ５０ｍｍ以下の外径を有しており、連続的移送量でプロセス技術的設備内で使用するために回転ポンプは部分負荷運転用に設計されており、２０ｍ〜３００ｍの揚程において部分負荷運転の移送量は０ｍｌ／分〜３６００ｍｌ／分の範囲内である。インペラー室の内径は半径流ホイールの外径よりも最大４％大きく形成されている。インペラー室と半径流ホイールおよび／またはその軸との間にシールが配置されており、インペラー室は、半径流ホイール外径に対して鋭角または接線方向に配置される単数または複数のポンプ出口通路を周面に備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、調量された移送量を放出するための可変速駆動装置を備えた移送ポンプであって、ポンプ入口とポンプ出口との間で流体を移送するためにポンプケーシングのインペラー室内で密封間隙なしに回転可能に配置される遠心型半径流ホイールを備えた単段回転ポンプとして形成されている移送ポンプに関する。

化学・製薬産業の研究開発プロセスの分野では、低コスト化への開発をますます迅速化することが要求されている。このような素材の生産では、一層柔軟で小規模な、環境に優しいプロセスが求められている。そのことから、一部ではごく小さな充填容積と連続的素材流とで運転されるプロセス技術的コンポーネントが利用されている。このような設備の柔軟な利用が要求されているので、設備全体とそのなかに組付けられた組立体を特別な洗浄剤で十分に洗浄できることが不可欠である。

このような設備では、液状素材の容積流が正確で一定し、自由に調整可能であって、脈動のないことが要求されている。毎分零ミリリットルから１時間当り３桁リットルまでの範囲内で高度に正確な連続的容積流のために、マイクロリングギヤポンプや歯車ポンプの態様およびダイヤフラムポンプやピストンポンプの態様の容積式ポンプが使用されている。このような容積式ポンプの欠点は、互いに相対的に移動する被密封部材の間の摩擦と脈動移送流との結果として信頼性が不足していることである。そのことに起因した整備支出と摩耗部品およびその交換用の費用が迅速な研究開発作業を妨げ、生産プロセスを微妙に妨げている。

超臨界炭化水素を循環させるためのキャンドモータポンプとして形成された回転ポンプが特許文献１により公知である。駆動モータがＰＥＥＫ製のキャン（ｃａｎ）を備えており、特殊鋼被覆で保護されたロータがキャンの内部に配置されている。ポンプケーシングから取り出された移送液体部分流によって、ポンプ軸および駆動ロータのセラミック軸受が湿潤されるようになっている。開放形成されたインペラーは直径が１〜２インチであり、転がり支承された直流モータの、インペラーを駆動するロータは、直径が１．５〜２インチである。開放インペラーを備えたこの単段式ポンプ装置は、６００００ｒｐｍまでの最高回転数に達するとされている。吸込ノズル、吐出しノズル、およびインペラーの下流側に配置される一種の渦巻室は、外側ポンプケーシング部分内に配置され、内側ポンプケーシング部分は、浮動支承されるインペラーと、駆動モータとしての可変速直流キャンドモータ用の固着部とを有している。

このキャンドモータ構造で欠点となるのは多数の隙間であり、これらの隙間は、ポンプとキャンドモータとの間の流れ案内が複雑なためポンプの浄化を著しく妨げることになる。移送液体の一部は、永続的にモータおよびその隙間空間を貫流するので、転がり軸受の摩擦熱とキャンドモータの損失熱とによって移送液体への入熱が許容外に多くなってしまう。

国際公開第２００５／０５２３６５号パンフレット

本発明の課題は、化学コンポーネント、製薬コンポーネントおよび／または美容コンポーネントのミリリットル範囲内で液状素材を移送し調量するために、その移送量が脈動なしに正確に調整可能に、異なる性質を有する異なる移送媒体用に大きな範囲にわたって変更可能であり、迅速な製品交換のためにポンプを容易に浄化することのできるポンプユニットを開発することである。

この課題の解決は請求項１の特徴でなされている。したがって、調量ポンプは遠心型の回転ポンプとして実現されており、このポンプは部分負荷運転点範囲内での連続運転用に設計されている。その移送量限界は２０ｍ〜３００ｍの揚程限界において０ｍｌ／分〜３６００ｍｌ／分の範囲内である。インペラーは、インペラー室の内部で接触することなく回転し、ホイール側室内部での還流が許容されるようになっている。これにより、インペラーの磨耗のない運転が保証されることになる。また、有効なすべての回転ポンプ設計規定とはまったく異なり、この回転ポンプは極端な部分負荷運転用に設計されており、これにより少量が脈動なしに移送されることになる。

インペラー室の直径は、そのなかに配置される半径流ホイールの外径よりも最大４％大きく形成されており、インペラー室は、半径流ホイール外径に対して鋭角または接線方向に配置される単数または複数のポンプ出口通路を備えている。その結果、回転ポンプの揚程は、遠心力の結果としてインペラー室の内部で増圧される静圧成分と、インペラー室からポンプ出口に至る吐出しノズル通路または流出通路の態様の移行部に生じる背圧の態様の動的成分とから得られることになる。インペラー室からの流出口の背圧成分は、極大に対応している。遠心揚程成分と背圧に起因した揚程成分とを加算してポンプの全揚程とすることから、このポンプ形式にとって高い圧力係数が得られることになる。

これとはまったく異なるように設計された従来の回転ポンプでは、主として流れ方向でインペラーの下流側に配置される流れ室が増大して速度が減速することによって、増圧されるようになっている。

移送ポンプの浄化時または別の移送媒体に切り換えるとき、貴重な移送媒体のごく僅かな損失で間に合うようにするために、半径流ホイールを収容したポンプケーシングは、ポンプ入口とポンプ出口との間の領域に５０ミリリットル以下の残容積を有し、ポンプ入口および出口の横断面積は、これらに接続されるべき管路の当接面によって画定されている。バッチ交換または製品交換のとき、一層迅速なポンプ浄化の可能性において損失は最少となる。

異なる移送媒体を移送するために、ポンプケーシングは温度調節装置を備えている。したがって、簡単な温度適合が可能である。その際、温度調節装置は、ポンプケーシングの流体接触部分を完全にまたは部分的に取り囲む熱交換器として形成しておくことが可能である。このため、液密結合部は温度調節装置を貫通し、かつ当接部とインペラー室との間に流体案内結合部を実現することになる。移送流体の温度に依存して、ポンプケーシングは、移送流体を冷却または加熱するために温度調節装置の内部に配置されている。

半径流ホイールは、少なくとも２つの移送通路を有し、半径流ホイール外径に複数の移送窪みが配置されている。半径流ホイールに配置されるこれらの移送窪みは、袋穴、ポケットまたは歯状凹部として形成されている。移送通路は、翼通路、溝または条溝の態様の開放窪みとして形成されている。半径流ホイールを閉鎖インペラーとして形成した場合、吸込側および／または吐出し側カバーディスクは、それ自体周知の移送溝を有していてもよい。

半径流ホイールにおいて移送通路の流入口の数および配置は半径流ホイール流入径を増大させないように選択されている。したがって、小さな寸法において遠心力を発生するために、インペラーには最大面積が得られることになる。

大気または温度調節装置に対するインペラー室の密封は、インペラー室のケーシング壁とこれに挿通されて回転する半径流ホイール部分または軸部分との間の単数または複数の軸シールで行われるようになっている。軸シールは、公知の軸封リングまたは低摩擦メカニカルシールとすることが可能である。密閉形電磁結合駆動装置が半径流ホイールにトルクを伝達する場合は、このようなシールは省くことが可能である。この駆動装置は耐引裂き性ヒステリシスクラッチとして形成しておくことも可能である。さらに、電気駆動装置、空気圧駆動装置または油圧駆動装置を半径流ホイールと結合しておくことが可能である。このような駆動モータは、ポンプケーシングまたは温度調節ケーシングに固着され、このケーシングに通された軸を介して半径流ホイールと結合されている。駆動モータ内に配置されるロータ軸支承装置は、それ自体周知の如く、同時にポンプ軸および半径流ホイールの支承装置として使用することが可能である。

付加的に、駆動モータと温度調節ケーシングおよび／またはポンプケーシングとの間に断熱部を配置しておくことが可能であり、挿通された軸を介して駆動モータが半径流ホイールと結合されている。ポンプケーシング部分と温度調節ケーシング部分との間の結合帯域は、回転対称に形成されかつ相互に密封されている。これにより、液状化学薬品および／または溶液の態様の危険な流体または高価な流体の最少量を移送するとき重要となる改良された密封が可能となる。極端な部分負荷範囲内での連続運転用に設計された回転ポンプを制御可能に駆動することによって、最少量のこのような流体を均一に脈動なしに調整可能に移送することが可能となる。

さらに、移送ポンプは制御装置と結合されており、この制御装置は内部または外部容積流測定部と結合され、駆動モータとの当接部の背圧にかかわりなく、調整可能な定容積流を発生している。この制御装置の手段によって、最小移送量と最大移送量との間の切換範囲または制御範囲内で、値５０００までの量係数で駆動モータの可変回転数範囲が生じることになる。また、０〜３５０００ｒｐｍの駆動モータの回転数範囲内において、０〜３００バールの回転ポンプ移送圧力がある。このような回転ポンプ運転データは、極端な持続的部分負荷運転に関して、ポンプユニットの半径流ホイールおよびケーシングの設計を公知のあらゆる設計規則に反して行うことに基づいてのみ可能である。簡単な組み込みを行うために、ポンプユニット、駆動モータ、切換装置または制御装置、それらと結合された電子操作要素、測定要素および制御要素が１つの取付可能状態のモジュールへとまとめられている。

本発明の実施例が図面に示してあり、以下で詳しく説明される。

移送ポンプを示す縦断面図である。 ポンプユニットの斜視図である。 インペラーの斜視図である。 インペラーを示す断面図である。 移送ポンプの横断面図である。

図１は単段移送ポンプを示している。ポンプケーシング１内に遠心型の半径流ホイール２が回転可能に配置されている。半径流ホイール２は移送通路３を備えており、ポンプ入口４を通して中心に流れを受け入れるようになっている。半径流ホイール２は可変速駆動装置５と結合されて力を伝達し、５０ｍｍ以下とする外径Ｄ_ＬＡを有している。半径流ホイール２は、該半径流ホイール２の外径Ｄ_ＬＡよりも最大で４％大きく形成されているにすぎない内径Ｄ_ＬＲＩのインペラー室６内で回転するようになっている。

ポンプケーシング１は、この実施例においてポンプケーシングに一体化された温度調節装置７を備えている。別の構造態様も可能である。冷却室７．１〜７．３がインペラー室６を取り囲み、ポンプケーシング１に隣接するシールケーシング８も取り囲んでいる。シールケーシング８の内部には、一種の軸シールとしてのシール９が配置されており、この実施例においてこのシールはリップシールリングとして図示されている。使用される移送流体に依存して、シール９はメカニカルシールとして形成しておくことも可能である。シール９は、インペラーと駆動装置の軸１０との間の選択された結合部に依存してインペラー２、インペラーハブ２．１または軸１０に密封当接することが可能である。温度調節室７．１〜７．３は、外部媒体によって作動するようになっている。これにより、移送流体に接触するポンプケーシング部分は、確実に冷却されることになる。その理由として、この回転ポンプは、部分負荷運転点範囲内での連続運転用に設計されており、その移送量限界は、２０メートル〜３００メートルの揚程限界において０ミリリットル／分〜３６００ミリリットル／分の範囲内であるからである。そのために不可欠な駆動装置５の高い回転数の結果、付加的冷却手段１１が駆動装置５の外周面に配置されている。また、駆動装置５は温度調節装置７と結合されて力を伝達し、またはこれに固着されている。

ポンプ入口４の面積は、ポンプ内部空間の直接的近傍に設けられる当接面１２によって画定されており、接続されるべき移送流体管路がこの当接面に密封当接するようになっている。類似の構成が‐ここでは図示平面の下方に部分的にのみ半円として見ることのできる‐ポンプ出口１３に設けられている。これに接続されるべきポンプ管路‐ここには図示せず‐の固着は、公知の手段、例えばユニオンナットによって行われている。インペラー室６へのポンプ管路の直接的接近と、インペラー外径Ｄ_ＬＡとインペラー室６の内径Ｄ_ＬＲＩとの間の僅かな直径差とによって、半径流ホイールを組付けたポンプケーシングの内部に移送流体用に５０ミリリットル以下の残容積が生じる。このごく僅かな量は、貴重な移送流体の交換時にごく僅かな損失が発生するだけであるという利点を有する。

ユニットとして構成される移送ポンプの斜視図である図２には、ポンプ入口４とポンプ出口１３が認められる。温度調節装置７がポンプケーシング１に一体化されており、ポンプ入口４とポンプ出口１３は、温度調節装置７を通してインペラー室まで案内されている。

外部温度調節剤、例えば冷却材は、選択的に使用可能な軸線方向または半径方向接続口１４，１５を通して温度調節室７．１〜７．３に供給されまたは導出されるようになっている。ポンプユニットと駆動モータ５は、構造ユニット組み込まれ、支持要素１６内で保持されている。支持要素１６は、モジュール構成または既存設備への組み込みのための前提条件を提供するものである。

図３は半径流ホイール２の斜視図である。半径流ホイール２はディスク状に形成され、この例ではハブ２．１を備えている。ハブ２．１の内部で駆動装置５のここに図示しない軸１０との力伝達結合が行われるようになっている。半径流ホイール２の内部には、４つの移送通路３が配置されている。さらに、インペラー周面１７には、多数の移送窪み１８が配置されており、これら移送窪みは、袋穴の態様に形成されている。これらの移送窪みによって、回転ポンプホイールの圧力係数は著しく改善されることになる。付加的に、吐出し側および吸込側カバーディスク１９，２０は、半径方向に推移する複数の移送溝２１を有している。移送溝２１は、図１によりインペラー室６に組み込まれたインペラーの圧力係数をやはり改善するものである。インペラーを軸線方向で貫通する補償穴２２は、ポンプケーシングの内部で圧力補償に役立ち、同時に駆動装置との結合を実現するとき組立補助具として役立つものである。

図４はインペラー２の断面図である。これから明らかとなるように、ここでは合計４つの移送通路３のみが使用されている。移送通路の直径は、該移送通路がインペラー入口２３の領域で隣接移送通路と交差しないように調整されている。これにより、画定されたインペラー流入直径を維持することが保証されている。移送窪み１８の深さＴは、組立完了したポンプの所期の残容積に依存して選択されている。

ここに示した穴の態様の移送窪み１８の代わりに、インペラー外径の領域でエネルギー伝達を可能とするあらゆる別の態様、例えば溝、条溝等も使用することが可能である。

図５は移送ポンプの横断面図である。別の温度調節室と作用的に結合された大きな温度調節室７．２によって、極端な持続的部分負荷運転が保証されている。

ごく小さなインペラー室６によって、半径流ホイールの外径Ｄ_ＬＡと取り囲むインペラー室６の囲繞直径Ｄ_ＬＲＩとの間に半径方向隙間幅が生じ、この隙間幅は１桁のミリメートル範囲内にある。実施された回転ポンプでは、インペラーとケーシングとの間に２ｍｍの範囲内の半径方向隙間がある。軸線方向インペラー側の領域でインペラーとケーシングとの間には、同様のオーダーの隙間がある。最少の残容積を有するケーシング領域のこの構成によって、ポンプは、ごく迅速かつ確実に洗浄媒体によって浄化することができる。そして、移送製品部分の最少損失で移送条件または設備の変化に適合されることになる。遠心インペラー２の連続的回転によって、この移送ポンプの脈動なしの運転が得られることになる。

インペラー外径とインペラー室との間の最少隙間によって、インペラーの周方向成分は同時に周速に接近し、インペラー２に対して斜角、好ましくは接線方向に配置されるポンプ出口１３と組合せてこの回転ポンプについてその流出口に最大可能な背圧が生じることになる。可変速モータと合わせて、ポンプケーシングの内部で最少の残容積において大きな揚程が実現可能である。

インペラー室の内部にインペラーを非接触式に配置すると、密封当接する摩擦面が避けられる。この措置は機械的摩擦熱の発生を防止し、摩擦摩耗を防止し、それに起因して移送液体が剥れ粒子で汚れるのを防止し、著しく延長された利用時間によって運転信頼性を改善することが可能となる。さらに、浄化の可能性を妨げる密封隙間が避けられることになる。

１ ポンプケーシング
２ 半径流ホイール
２．１ ハブ
３ 移送通路
４ ポンプ入口
５ 可変速駆動装置
６ インペラー室
７ 温度調節装置
７．１〜７．３ 冷却室
８ シールケーシング
９ シール
１０ 軸
１１ 冷却手段
１２ 当接面
１３ ポンプ出口
１４，１５ 温度調節剤用接続口
１６ 支持要素
１７ インペラー周面
１８ 移送窪み
１９，２０ カバーディスク
２１ 移送溝
２２ 補償穴
２３ インペラー入口
Ｄ_ＬＡ インペラーの外径
Ｄ_ＬＲＩ インペラー室の内径

Claims (20)

1. 調量された移送量を放出するための可変速駆動装置（５）を備えた移送ポンプであって、ポンプ入口（４）とポンプ出口（１３）との間で流体を移送するためにポンプケーシング（１）のインペラー室（６）内で密封間隙なしに回転可能に配置される遠心型半径流ホイール（２）を備えた単段回転ポンプとして移送ポンプが形成されており、前記半径流ホイール（２）が毎分５桁の回転数範囲内で回転数を変更可能な駆動モータと結合されており、前記半径流ホイール（２）が中心に流れを受け入れ、移送通路（３）を備え、かつ５０ｍｍ以下の外径を有しており、連続的移送量でプロセス技術的設備内で使用するために回転ポンプが部分負荷運転用に設計されており、２０ｍ〜３００ｍの揚程において部分負荷運転の移送量が０ｍｌ／分〜３６００ｍｌ／分の範囲内であり、前記インペラー室（６）の内径（Ｄ_ＬＲＩ）が前記半径流ホイール（２）の外径（Ｄ_ＬＡ）よりも最大４％大きく形成されており、インペラー室（６）と半径流ホイール（２）および／またはその軸（１０）との間にシール（９）が配置されており、前記インペラー室（６）が、半径流ホイール外径に対して鋭角または接線方向に配置される単数または複数のポンプ出口通路（１３）を周面に備えていることを特徴とする移送ポンプ。
2. 前記半径流ホイール（２）を収容した前記ポンプケーシング（１）がポンプ入口（４）とポンプ出口（１３）との間の領域に５０ミリリットル以下の小さな残容積を有し、ポンプ入口および出口の横断面積がこれらに接続されるべき管路の当接面によって画定されていることを特徴とする、請求項１に記載の移送ポンプ。
3. 前記ポンプケーシング（１）が温度調節装置（７〜７．３）を備えていることを特徴とする、請求項１または２に記載の移送ポンプ。
4. 前記温度調節装置（７）が熱交換器として形成され、かつ前記ポンプケーシング（１）および／または前記インペラー室（６）の流体接触部分を完全にまたは部分的に取り囲んでいることを特徴とする、請求項３に記載の移送ポンプ。
5. 液密結合部が前記温度調節装置（７）を貫通し、かつ当接部を前記インペラー室（６）に結合していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
6. 前記半径流ホイール（２）が少なくとも２つの移送通路（３）を有し、前記半径流ホイール外径（Ｄ_ＬＡ）に複数の移送窪み（１８）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
7. 前記半径流ホイール（２）上の移送窪み（１８）が、袋穴、ポケットまたは歯状凹部として形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の移送ポンプ。
8. 前記移送通路（３）が、翼通路、溝または条溝の態様の開放窪みとして形成されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の移送ポンプ。
9. 吸込側および／または吐出し側インペラーカバーディスクが移送溝を備えていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
10. 前記半径流ホイール（２）の前記移送通路（３）の流入口の数および配置が、半径流ホイール流入径を増大させないようになっていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
11. 密閉形電磁結合駆動装置が前記半径流ホイール（２）にトルクを伝達していることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
12. 電気駆動装置、空気圧駆動装置または油圧駆動装置が前記半径流ホイール（２）に結合されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
13. 前記駆動モータ（５）が前記ポンプケーシング（１）または前記温度調節装置（７）に固着され、これに通された軸（４）で前記半径流ホイール（２）に結合されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
14. 前記駆動モータ（５）と前記温度調節装置（７）および／または前記ポンプケーシング（１）との間に断熱部が配置されており、挿通された軸（４）を介して前記駆動モータ（５）が前記半径流ホイール（２）に結合されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
15. 前記ポンプケーシング（１）の部分と前記温度調節装置（７）の部分との間の結合帯域が回転対称に形成されかつ相互に密封されていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
16. 制御装置が内部または外部容積流測定部と結合され、前記駆動モータ（５）との当接部の背圧にかかわりなく、調整可能な定容積流を発生するようになっていることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
17. 最小移送量と最大移送量との間の切換範囲または制御範囲内で、前記駆動モータ（５）の可変回転数範囲が値５０００までの量係数を発生していることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
18. ０〜３５０００ｒｐｍの前記駆動モータ（５）の回転数範囲内に０〜３０バールの回転ポンプ移送圧力があることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
19. 回転ポンプの前記半径流ホイール（２）とケーシングが極端な連続部分負荷運転用に設計されていることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の移送ポンプ。
20. ポンプ、駆動モータ、切換装置または制御装置、それらと結合された電子操作要素、測定要素および制御要素が１つの取付可能状態のモジュールに組み込まれていることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の移送ポンプ。

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