JP2013011187A

JP2013011187A - 一軸偏心ねじポンプ

Info

Publication number: JP2013011187A
Application number: JP2011142942A
Authority: JP
Inventors: Kazutomo Hayashimoto; 和智林元; Jun Taneichi; 準種市; Satoshi Otsubo; 諭史大坪
Original assignee: Furukawa Industrial Machinery Systems Co Ltd
Current assignee: Furukawa Industrial Machinery Systems Co Ltd
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2031-06-28
Also published as: JP5698078B2

Abstract

【課題】ロータの回転力でステータをロータの二分の一の回転数で追従回転させる一軸偏心ねじポンプにおいて、起動時の立ち上がり加速時間を短くした場合であっても、ロータとの正確な位相関係を保ってステータを追従回転させる。
【解決手段】この一軸偏心ねじポンプ１は、モータ２の角速度、角加速度をそれぞれ測定する角速度センサ３、角加速度センサ４と、コントローラ５とを備え、コントローラ５は、取得した角速度情報および角加速度情報に基づいて、当該一軸偏心ねじポンプ１を起動した場合に、ロータ４２とステータ４１とのずれが生じない制限角加速度以内にモータ２の角加速度を抑えつつ定常運転に移行させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、食料原料や、化学原料、下水汚泥などの粘性液体を定量圧送する一軸偏心ねじポンプに係り、特に、この種の一軸偏心ねじポンプの運転の制御に関する。

この種の一軸偏心ねじポンプとしては、例えば特許文献１に記載の技術が開示されている。同文献記載の一軸偏心ねじポンプは、雌ねじ状の内面を有する回転可能に支承されたステータを有している。このステータはエラストマーで構成され、このステータに、ロータの雄ねじ状の螺旋部が内挿されるとともに基端部が駆動部に連結されている。そして、ロータの回転軸線は、ステータの回転軸線に対して所定距離だけ偏心して配置されており、ロータの回転力でステータをロータの二分の一の回転数で追従回転させるように構成されている。

ＷＯ２０１０／１０３９９３Ａ１

しかしながら、このような構成の一軸偏心ねじポンプは、ゴム等のエラストマーで構成されたステータをロータの回転力で追従回転させるようになっているので、ロータ駆動用のモータを、全電圧始動（直入れ始動）した場合（あるいはインバータ制御やサーボ制御をした場合）に、ロータからステータへの回転力を伝達するときの起動時の衝撃が大きいと、エラストマーで構成されたステータが起動時の衝撃で大きく弾性変形してしまう。そのため、起動時の立ち上がり加速時間を短くしたとき、ステータがロータの回転に追従できず、これにより、ロータとステータとの本来の正確な位相関係が保てなくなり、極端な場合、ロータがステータ内で空回りするおそれがある。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、ロータの回転力でステータをロータの二分の一の回転数で追従回転させる一軸偏心ねじポンプにおいて、起動時の立ち上がり加速時間を短くした場合であっても、ロータとの正確な位相関係を保ってステータを追従回転させ得る一軸偏心ねじポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、雌ねじ状の内面を有する回転可能に支承されたステータと、該ステータに雄ねじ状の螺旋部が内挿されるとともに直線状の基端部がモータの駆動軸に直結されたロータとを備え、前記ロータの回転軸線が前記ステータの回転軸線に対して所定距離だけ偏心して配置されるとともに、前記ロータの回転力で前記ステータを前記ロータの二分の一の回転数で追従回転させるように構成された一軸偏心ねじポンプであって、前記モータの角速度を測定する角速度測定手段と、前記モータの角加速度を測定する角加速度測定手段と、前記角速度測定手段から取得した角速度情報および前記角加速度測定手段から取得した角加速度情報に基づいて、前記モータの起動時の立ち上がり加速を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、当該一軸偏心ねじポンプを起動した場合に、前記ロータと前記ステータとのずれが生じない制限角加速度以内に前記モータの角加速度を抑えつつ定常運転に移行させることを特徴とする。
ここで、本発明に係る一軸偏心ねじポンプにおいて、前記第一制限角加速度が、２００πｒａｄ／ｓ^２であることは好ましい。

本発明によれば、モータの起動時の立ち上がり加速を制御する制御手段を備えており、この制御手段が、一軸偏心ねじポンプを起動した場合に、前記ロータと前記ステータとのずれが生じない制限角加速度（例えば、２００πｒａｄ／ｓ２）以内に前記モータの角加速度を抑えるので、ステータをロータの回転に確実に追従させることができる。そして、前記制限角加速度以内に維持しつつ定常運転段階に移行させるので、ロータとステータとの本来の正確な位相関係を保ちつつも、可及的速やかに起動することができる。したがって、起動時の立ち上がり加速時間を短くした場合であっても、ロータとの正確な位相関係を保ってステータを追従回転させることができる。

本発明に係る一軸偏心ねじポンプの一実施形態を説明する図であり、同図では、軸線に沿った断面図を示している。本発明に係る一軸偏心ねじポンプのコントローラ（制御手段）で実行される、立ち上がり加速制御処理のフローチャートである。立ち上がり加速制御処理における制限角加速度の設定実験結果の比較例（本発明の実施形態ではない）であり、同図は、起動時の角加速度が、６６６πｒａｄ／ｓ^２のときのトルク曲線図である。立ち上がり加速制御処理における制限角加速度の設定実験結果の実施例１であり、同図は、起動時の角加速度が、５０πｒａｄ／ｓ^２のときのトルク曲線図である。立ち上がり加速制御処理における制限角加速度の設定実験結果の実施例２であり、同図は、起動時の角加速度が、２００πｒａｄ／ｓ^２のときのトルク曲線図である。ロータの回転角度の二分の一の回転数で回転するステータの正規の位相関係を順に示す図（（ａ）〜（ｌ））である。図６の各位相関係に対応する軸方向の断面および各断面での位相関係を併せて示す図（（ａ）〜（ｌ））である。比較例を示す図であって、同図では、急激な起動によって、ロータに対してステータが正規の位相からずれた場合の位相関係を順に示す図（（ａ）〜（ｌ））である。比較例を示す図であって、図８の各位相関係に対応する軸方向の断面および各断面での位相関係を併せて示す図（（ａ）〜（ｌ））である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１に示すように、この一軸偏心ねじポンプ１は、ねじポンプ部４０を有する。そして、このねじポンプ部４０の吸込み側１４にケーシング３０が設けられている。ケーシング３０は、自身側面（この例では回転軸線Ｌ２よりも上部）に吸込口３５を有する。ねじポンプ部４０のハウジング４６とケーシング３０の吐出側１４（ねじポンプ部４０の吸込み側でもある）とは、へルールクランプ４３によって着脱可能に連結されている。また、ハウジング４６の吐出側４６ｔには吐出部５０が締めねじ５０ａによって装着されている。

そして、上記ケーシング３０に対し、ねじポンプ部４０とは反対の側から、不図示の締めねじによって軸受部２０を内蔵するブラケット部１０が連結されている。さらに、ブラケット部１０の基端側（同図の右側）には、モータ２が不図示のボルトによって固定されている。
上記ねじポンプ部４０は、円筒状のハウジング４６内に、雄ねじ状のロータ４２と、雌ねじ状の内面をもつステータ４１とを備えている。ロータ４２は、先端側の螺旋部４２ａと、直線状の基端部４２ｂとから構成されている。基端部４２ｂは、ユニバーサルジョイントを用いることなく、水平に配置された駆動軸８の先端に直接連結している。そして、螺旋部４２ａは、自身の回転軸線Ｌ２に対して偏心した長円形断面を有しており、この螺旋部４２ａが、雌ねじ状の内面を形成したステータ４１に内挿されている。そして、このステータ４１の回転軸線Ｌ１に対して、上記ロータ４２の回転軸線Ｌ２は、所定の偏心量Ｅだけ偏心して配置されている。

ステータ４１は、その雌ねじ状のピッチがロータ４２の螺旋部４２ａの２倍である。ステータ４１は、その両端が、すべり軸受としての、円環状の自己潤滑軸受４７、４８を介して上記ハウジング４６内に回転自在に支承されている。
この例では、ステータ４１は、ステータ内筒４１ａと、このステータ内筒４１ａを軸方向の両側から挟み込むように形成された段付き形状の二つのステータ外筒４１ｂ，４１ｃとを有して構成されている。また、ステータ内筒４１ａは、内側に焼き嵌めされたエラストマ製の内周部を有し、上記雌ねじ状の内面がこの内周部によって形成されている。ステータ外筒４１ｂ，４１ｃとステータ内筒４１ａとは、押しねじ４１ｄ，４１ｄによって固定されることで全体として一体で回転するようになっている。そして、ケーシング３０とハウジング４６とには、相互が対向する側の内面に、凹の段部がそれぞれ形成されている。さらに、ステータ４１の外周面には、各ステータ外筒４１ｂ，４１ｃによって凸の段部が形成されており、各ステータ外筒４１ｂ，４１ｃに、その凸の段部の両端部に自己潤滑軸受４７、４８が当接させつつ外嵌され、ケーシング３０とハウジング４６とをへルールクランプ４３によって組み付けることでケーシング３０とハウジング４６相互の内面に形成された凹の段部の内側面が自己潤滑軸受４７、４８の軸方向への移動を拘束しつつ、ステータ４１を回転自在に支持するように構成されている。

上記軸受部２０は、上記駆動軸８の途中部分を軸方向に離間した二つの転がり軸受２２，２３によって回転自在に支承している。また、駆動軸８の先端側であって、ケーシング３０側の端面は水中軸受２５によって軸封されている。
このような構成の一軸偏心ねじポンプ１は、上記モータ２の回転力によって駆動軸８が一体で回転すると、この駆動軸８に直接接続されたロータ４２が回転する。そして、ねじポンプ部１０は、ロータ４２がその回転軸線Ｌ２を中心として回転し、ロータ１２の螺旋部１２ａの動きに伴ってステータ４１もその回転軸線Ｌ１を中心としてロータ４２の回転と同期してロータ４２の二分の一の回転数で従動回転（図６および図７参照）することにより、圧送流体を吸込口１２から吐出口１６に向けて圧送するようになっている。

ここで、この一軸偏心ねじポンプ１は、モータ２の角速度を測定する角速度センサ（角速度測定手段）３と、モータ２の角加速度を測定する角加速度センサ（角加速度測定手段）４がモータ２に付設されている。角速度センサ３および角加速度センサ４によって測定された角速度情報および角加速度情報は、制御手段であるコントローラ５に入力される。そして、コントローラ５は、立ち上がり加速制御処理を実行して、取得した角速度情報および角加速度情報に基づいて、モータ２の起動時の立ち上がり加速を制御するようになっている。

詳しくは、コントローラ５で立ち上がり加速制御処理が実行されると、図２に示すように、ステップＳ１、Ｓ２に順に移行して、角速度センサ３および角加速度センサ４によって測定された角速度情報および角加速度情報をそれぞれ取得する。次いで、ステップＳ３に移行して、当該一軸偏心ねじポンプ１が起動段階か否かを判定し、一軸偏心ねじポンプ１が定常運転段階に達したか否かを監視する。つまり、モータ２が所定の角速度に達したか否かを監視し、達していなければ（Ｎｏ）ステップＳ４に移行し、達していれば（Ｙｅｓ）処理を戻す（定常運転による通常の制御を行う）。

この判定は、例えばポンプ停止時に設定されるフラグの有無の参照およびモータ２が所定の角速度に満たないか否かを監視することによって判定される。この設定フラグは、モータ２が所定の角速度を超えれば解除され、電源の再投入時等には改めてフラグが設定されるようになっている。つまり、起動段階（フラグ有り）であれば（Ｙｅｓ）ステップＳ４に移行し、そうでなければ通常の定常運転制御に入る。

ステップＳ４では、ロータ４２とステータ４１とのずれが生じない制限角加速度（例えば、２００πｒａｄ／ｓ^２）を超えたか否かを判定し、超えていれば（Ｙｅｓ）ステップＳ６に移行し、そうでなければ（Ｎｏ）ステップＳ５に移行する。ステップＳ５では、角加速度の設定レベルを上げる処理（例えば、パルスモータであればパルスを増やしたり、インバータによる制御であれば周波数を上げたりするなどの処理）を行って処理をステップＳ１に戻す。また、ステップＳ６では、角加速度の設定レベルを下げる処理（例えば、パルスモータであればパルスを減らしたり、インバータによる制御であれば周波数を下げたりするなどの処理）を行って処理をステップＳ１に戻す。

ここで、この制限角加速度の設定については、予め行った起動試験の結果に基づいている。本発明においては、起動段階（フラグ有り）のときには、制限角加速度以内にモータ２の角加速度を抑える。
つまり、例えば図３に示すように、この設定値が起動段階（フラグ有り）のときに大きすぎれば（この例では、起動時の角加速度が、６６６πｒａｄ／ｓ^２であり、最大トルクが定格トルクの１８０％に達している。）、ロータ４２の回転にステータ４１が追従回転できず、ロータ４２とステータ４１との本来の正確な位相関係が保てず、図８，図９に示す非追従状態（これらの図において、ロータ４２とステータ４１とのシールラインが崩れているため、図面上の線が相互に交差した状態）になる。このとき、エラストマーからなるステータ４１が大きく弾性変形して、ロータ４２とステータ４１とのシールラインが崩れて圧送不能となる。

これに対し、例えば図４に示すように、起動段階（フラグ有り）のときに制限角加速度としての設定値を十分に小さくすれば（この例では、起動時の角加速度が、５０πｒａｄ／ｓ^２であり、最大トルクが定格トルクの４５％である。）、図６，図７に示すように、ステータ４１をロータ４２との正確な位相関係を保って追従回転させることができる（これらの図において、ロータ４２とステータ４１とのシールラインが正しく保たれるため、図面上の線が相互に交差せずにステータ４１の内周面にロータ４２の外周面が接触した状態）。しかし、この場合、可及的速やかに起動して定常運転段階に移行させる上では未だ余裕代がある。

この点に対し、例えば図５に示すように、起動段階（フラグ有り）のときにこの設定値を必要十分な所定値とすれば（この例では、起動時の角加速度が、２００πｒａｄ／ｓ^２であり、最大トルクが定格トルクの６５％である。）、上記図６，図７に示すように、ステータ４１をロータ４２との正確な位相関係を保って追従回転させつつも、可及的速やかに起動して定常運転段階に移行させることができる。そして、予め行った起動試験の結果によれば、この設定値として、起動時の制限角加速度を、２００πｒａｄ／ｓ^２に設定すれば、ステータ４１をロータ４２との正確な位相関係を保って追従回転させつつも、可及的速やかに起動して定常運転段階に移行させることができた。そのため、本実施形態では、制限角加速度を、２００πｒａｄ／ｓ^２に設定している。

次に、この圧送装置の作用・効果について説明する。
この一軸偏心ねじポンプ１によれば、上述のように、モータ２の角速度を測定する角速度センサ３と、モータ２の角加速度を測定する角加速度センサ４と、角速度センサ３から取得した角速度情報および角加速度センサ４から取得した角加速度情報に基づいて（図２でのステップＳ１，Ｓ２を含むループ）、モータの起動時の立ち上がり加速を制御するコントローラ５とを備え、コントローラ５は、当該一軸偏心ねじポンプ１を起動した場合（ステップＳ３）には、ロータ４２とステータ４１とのずれが生じない制限角加速度以内にモータ２の角加速度を抑えるとともに（ステップＳ４およびこれに続くステップＳ５，Ｓ６を含むループ）、起動時のフラグが無く（モータ２が所定の角速度を超えた）とき（ステップＳ３での「Ｎｏ」）には定常運転に移行させるので、ステータ４１をロータ４２の回転に確実に追従させることができる。

そのため、ロータ４２とステータ４１との本来の正確な位相関係を保ちつつも、可及的速やかに当該一軸偏心ねじポンプ１を起動することができる。したがって、起動時の立ち上がり加速時間を短くした場合であっても、ロータ４２との正確な位相関係を保ってステータ４１を追従回転させることができる。
なお、本発明に係る一軸偏心ねじポンプは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能なことは勿論である。

例えば、上記実施形態では、制限角加速度の設定値が、２００πｒａｄ／ｓ^２である例で説明したが、これに限らず、ロータ４２とステータ４１とのずれが生じないように設定した値であれば、制限角加速度の設定値として２００πｒａｄ／ｓ^２よりも小さい値を採用可能である。しかし、ステータ４１をロータ４２との正確な位相関係を保って追従回転させつつも、可及的速やかに一軸偏心ねじポンプ１を起動して定常運転段階により好適な移行をさせる上では、制限角加速度を、２００πｒａｄ／ｓ^２に設定することは好ましい。

１一軸偏心ねじポンプ
２モータ
３角速度センサ（角速度測定手段）
４角加速度センサ（角加速度測定手段）
５コントローラ（制御手段）
８駆動軸
１０ブラケット部
１４吸込み側
２０軸受部
３０ケーシング
３５吸込口４０ねじポンプ部
４１ステータ
４２ロータ
Ｅ偏心の所定距離
Ｌ１ステータの回転軸線
Ｌ２ロータの回転軸線

Claims

雌ねじ状の内面を有する回転可能に支承されたステータと、該ステータに雄ねじ状の螺旋部が内挿されるとともに直線状の基端部がモータの駆動軸に直結されたロータとを備え、前記ロータの回転軸線が前記ステータの回転軸線に対して所定距離だけ偏心して配置されるとともに、前記ロータの回転力で前記ステータを前記ロータの二分の一の回転数で追従回転させるように構成された一軸偏心ねじポンプであって、
前記モータの角速度を測定する角速度測定手段と、前記モータの角加速度を測定する角加速度測定手段と、前記角速度測定手段から取得した角速度情報および前記角加速度測定手段から取得した角加速度情報に基づいて、前記モータの起動時の立ち上がり加速を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、当該一軸偏心ねじポンプを起動した場合に、前記ロータと前記ステータとのずれが生じない制限角加速度以内に前記モータの角加速度を抑えつつ定常運転に移行させることを特徴とする一軸偏心ねじポンプ。
前記制限角加速度が、２００πｒａｄ／ｓ^２であることを特徴とする請求項１に記載の一軸偏心ねじポンプ。