JP2014001714A - 一軸偏心ねじポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータにかかるスラスト荷重やラジアル荷重を十分に受けられるステータ回転型の一軸偏心ねじポンプを提供する。
【解決手段】この一軸偏心ねじポンプ１は、モータ４０が永久磁石ブラシレスモータであり、そのシャフト４３が、自身軸方向に同軸に貫通する貫通穴４３aを有する。ロータ２は、駆動軸２ｃの先端部に雄ねじ状の螺旋部２ａが一体をなして直結され、駆動軸２ｃは、自身の基端部が、シャフト４３の貫通穴４３aに同軸に挿入可能に且つスラスト方向にスライド移動可能に形成されている。そして、駆動軸２ｃの基端部が貫通穴４３aに挿入された状態でシャフト４３に固定されることによりシャフト４３と駆動軸２ｃとが直接接続され、ロータがモータ４０の軸受４４、４４によって片持ち構造に支承される。
【選択図】図１

Description

本発明は、食料原料、化学原料、下水汚泥などの粘性液（輸送物）を定量圧送する一軸偏心ねじポンプに関する。

従来、この種の一軸偏心ねじポンプとして、例えば図３に示す構造のものが知られている。この一軸偏心ねじポンプ１００は、雌ねじ状の内面をもつ固定されたステータ１１２に雄ねじ状のロータ１０３が内装されている。ロータ１０３は、自在継手（ユニバーサルジョイント）１０６を介して駆動軸１０２に連結され、駆動軸１０２は、カップリング１０４を介してモータ１０１のシャフト１０１ａに連結されている。この一軸偏心ねじポンプ１００によれば、駆動軸１０２をモータ１０１によって回転させることにより、ステータ１１２の軸心に対してロータ１０３が回転しつつ偏心運動を行うことによって粘性液を吸入側１１３から吸込み部１１５を介して吐出側１１４へ圧送することができる。

しかし、この一軸偏心ねじポンプ１００は、ステータ１１２が固定されているので、ロータ１０３が大きな反力を受けながら回転する。そのため、ステータ１１２内面の直線状部分が磨耗し易く、性能が早期に低下する欠点がある。また、ロータ１０３の回転軸線がステータ１１２の軸線を中心として公転することから、駆動軸１０２とロータ１０３との間に自在継手１０６を介在させる必要がある。そのため、ポンプの構造が複雑になるばかりでなく、吸込み部１１５における粘性液の流入を阻害するとともに、ロータ１０３の公転が振動発生の原因ともなっていた。

また、この種の一軸偏心ねじポンプでは、高濃度や高粘性の粘性液を圧送する場合が多く、さらにロータやステータの摩耗低減の観点から５００ｍｉｎ^−１以下の低回転で使用される場合が多い。そのため、モータのシャフトからの駆動力を、減速機を介してロータに伝達する必要があった。
そこで、これらの問題を解決するために、例えば特許文献１に示される、ステータ回転型の一軸偏心ねじポンプが提案されている。例えば図４に示すように、この一軸偏心ねじポンプ２００は、ステータ２１２を回転可能に支承するとともに、ロータ２０３を駆動軸２０２の先端部に一体に設けている。駆動軸２０２に固定されたロータ２０３は、その回転軸線がステータ２１２の軸線から所定距離偏心するように構成され、ステータ２１２が、ロータ２０３の１／２の回転速度で同一方向に回転するようになっている。なお、この例では駆動軸２０２は、基端部が、モータ２０１のシャフト２０１ａに連結ピン２０４によって連結されている。また、軸封部分にはメカニカルシール２２０が用いられている。

図４に例示する一軸偏心ねじポンプ２００によれば、ロータ２０３の回転にともないステータ２１２がロータ２０３の１／２の回転速度で同一方向に回転するので、上述のような自在継手の介在を不要として簡素な構造とすることができる。そのため、吸込み部２１５における粘性液の流入を阻害することもない。さらに、この構造によれば、ステータ２１２をロータ２０３の１／２の回転速度で同一方向に回転させることで、ロータ２０３とステータ２１２の相対回転速度により圧送作用を発生させるため、原理的に１／２の減速機を搭載した機構となる。そのため、モータ２０１からの直接駆動も可能である。

特開２００９−２９３５２９号公報

しかしながら、ステータ回転型の一軸偏心ねじポンプであっても、図４に示すように、連結ピン２０４でモータ２０１のシャフト２０１ａにロータ２０３と一体の駆動軸２０２を連結する場合、駆動軸２０２のスラスト方向での位置が連結ピン２０４を挿通可能な位置に限定されてしまう。そのため、同図の例のように、軸封部分にメカニカルシール２２０を用いた構造においては、シール面の面圧調整が難しいという問題があった。

また、同図に示すように、ロータ２０３と一体の駆動軸２０２を、モータ２０１のシャフト２０１ａに連結ピン２０４によって連結する構造である場合、一般的なモータのシャフトであると、一軸偏心ねじポンプのスラスト荷重やラジアル荷重、トルクを受けることに限界がある。そのため、このような場合には、図５に例示する一軸偏心ねじポンプ３００のように、ロータ２０３と一体の駆動軸３０２を、軸受機構３０４によって支承してモータ３０１のシャフト３０１ａに連結する必要があった。

また、一軸偏心ねじポンプの使用限界温度についても、モータや減速機の使用限界温度によって制限される。そのため、ステータ回転型の一軸偏心ねじポンプにおいて、例えば８０℃以上の液を圧送する場合、図６に示す一軸偏心ねじポンプ４００のように、ポンプ４０１の側とモータ１０１の側とをカップリング１０４等を介して切り離さなければならないという問題があった。

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、ステータ回転型の一軸偏心ねじポンプにおいて、ロータにかかるスラスト荷重やラジアル荷重を十分に受けられる一軸偏心ねじポンプを提供することを目的としている。また、例えば８０℃〜１３０℃の高温にも耐えられるモータの軸受構造を備える一軸偏心ねじポンプを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る一軸偏心ねじポンプは、軸受によって回転自在に支承されるシャフトを有するモータと、該モータのシャフトに連結される駆動軸と、該駆動軸の先端部に一体をなして直結された雄ねじ状の螺旋部を有するロータと、回転可能に支承されるとともに自身の回転軸線が前記ロータの回転軸線に対して偏心して配置される雌ねじ状の内面を有するステータとを備え、前記モータの駆動により、前記駆動軸を介して前記ロータが回転しつつ前記ステータの軸心に対して偏心運動を行うことによって粘性液を吸入側から吐出側へ圧送する一軸偏心ねじポンプであって、前記モータのシャフトは、自身軸方向に同軸に貫通する貫通穴を有し、前記駆動軸は、自身の基端部が、前記シャフトの貫通穴に同軸に挿入可能に且つスラスト方向にスライド移動可能に形成されており、前記駆動軸の基端部が前記シャフトの貫通穴に挿入された状態で前記シャフトに固定されることにより前記シャフトと前記駆動軸とが直接接続され、前記ロータが前記モータの前記軸受によって片持ち構造に支承されることを特徴とする。

本発明に係る一軸偏心ねじポンプによれば、ロータの螺旋部が駆動軸の先端部に一体をなして直結され、駆動軸の基端部がモータのシャフトの貫通穴に挿入された状態で固定されることにより、減速機等を介さずにシャフトと駆動軸を直接接続し、ロータがモータの軸受によって片持ち構造に支承されるので、ロータの片持ちされる長さを短縮することができ、上述のような、駆動軸の軸受機構（図５、図６での符号３０４参照）を不要とすることができる。そのため、ロータにかかるスラスト荷重やラジアル荷重を十分に受けることができる。そして、このような構成であれば、カップリング等の連結機構（図３、図６での符号１０４参照）を不要とし、モータとポンプとがいわば一体化されることから、従来の一軸偏心ねじポンプよりも格段にコンパクトに構成可能である。

また、本発明に係る一軸偏心ねじポンプによれば、駆動軸は、自身の基端部が、シャフトの貫通穴に同軸に挿入可能に且つスラスト方向にスライド移動可能に形成されているので、スラスト方向へのロータの位置調整が行える。そのため、軸封部分に、図４に示したようなメカニカルシールを用いた場合であっても、メカニカルシールのシール面の面圧調整が簡便になるとともに、モータを分解することなく、ロータを駆動部から簡単に取り外すことが可能となる。

ここで、本発明の一態様に係る一軸偏心ねじポンプにおいて、前記モータが、永久磁石ブラシレスモータであることは好ましい。このような構成であれば、モータの軸受構造を、ロータにかかるスラスト荷重やラジアル荷重を十分に受けられ、さらに８０℃〜１３０℃の高温にも耐えられるものとする上で好適である。さらに、この永久磁石ブラシレスモータが、モータの回転数が５０〜１０００ｍｉｎ^−１の回転領域において当該一軸偏心ねじポンプに必要とされるトルクを十分に出力できるものであることが望ましい。

上述のように、本発明によれば、ステータ回転型の一軸偏心ねじポンプにおいて、ロータにかかるスラスト荷重やラジアル荷重を十分に受けられる一軸偏心ねじポンプを提供することができる。また、例えば８０℃〜１３０℃の高温にも耐えられるモータの軸受構造を備える一軸偏心ねじポンプを提供することができる。

本発明の一態様に係る一軸偏心ねじポンプの一実施形態の説明図である。なお、同図は軸線を含む断面を示している（以下、同様）。 図１の実施形態の変形例を説明する図である。 従来の一軸偏心ねじポンプの一例を説明する図である。 従来の一軸偏心ねじポンプの一例を説明する図である。 従来の一軸偏心ねじポンプの一例を説明する図である。 従来の一軸偏心ねじポンプの一例を説明する図である。

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、モータ４０のケーシングを兼ねるブラケット１１をポンプ側に有している。つまり、このモータ４０は、ケーシングとして、軸方向中央の胴部４５と、胴部４５の後端を覆う後部４６と、胴部４５の前端を覆うブラケット１１とを有している。

胴部４５内には、モータ４０のシャフト４３が、胴部４５の前方および後部４６との間で軸受４４、４４によって両持ち状態で回転自在に支持されている。シャフト４３は、自身軸方向に沿って単一の内径で同軸に貫通形成された貫通穴４３ａを有する。シャフト４３の外周には永久磁石４１が設けられ、この永久磁石４１に対して対向方向に隙間を隔てて胴部４５内に固定子４２が配置されることで、永久磁石ブラシレスモータが構成されている。

ブラケット１１には、ポンプ側となる前側端面１１ａに、ポンプのハウジング７が装着されている。ハウジング７は、吸込側（同図の右側）から順に、吸込部７ａ、本体部７ｂおよび吐出部７ｃを備えて構成されている。ハウジング７の吸込部７ａには圧送流体である粘性液（輸送物）の吸込口８が形成され、また、吐出部７ｃには粘性液の吐出口９が形成されている。なお、ブラケット１１の前側端面１１ａと吸込部７ａ相互、吸込部７ａと本体部７ｂ相互は、周知のへルールクランプ２２によって固定されており、また、吸込部７ａおよび本体部７ｂ相互の当接面には、Ｏリング２３が介装されている。そして、この一軸偏心ねじポンプ１は、ハウジング７内に、雌ねじ状の内面をもつステータ４と、このステータ４内に雄ねじ状の螺旋部２ａが内装されるロータ２とを備えている。

詳しくは、ロータ２は、先端側の螺旋部２ａと、直線状の基端部２ｂとを一体に有し、基端部２ｂは、その途中部分に円環状に張り出すつば部２ｄが形成されている。つば部２ｄとブラケット１１の前側端面１１ａとの間には、サニタリー性を有するメカニカルシール３０が設けられている。メカニカルシール３０は、吸込口８から流入した粘性液が、ロータ２の基端部２ｂとハウジング７の吸込部７ａとの間の隙間を通ってブラケット１１内に流入するのを阻止している。

ロータ２は、直線状の基端部２ｂのうち、つば部２ｄよりも後方が、駆動軸２ｃとして一体に形成されている。この駆動軸２ｃは、自身の基端部（この例では段部２ｆよりも後方の部分）が、上記シャフト４３の貫通穴４３ａにスラスト方向にスライド移動可能且つ同軸に挿入可能に形成されている。駆動軸２ｃの後端には、雌ねじ２ｅが形成されている。これにより、シャフト４３の後端面４３ｂに対してワッシャ５１を介してボルト５０を雌ねじ２ｅに締めこむことで、段部２ｆがシャフト４３の前端面４３ｃに当接した位置で軸方向の位置が規定される。本実施形態では、シャフト４３の前端面４３ｃと段部２ｆとの間にシム５４を介装している。これにより、シム５４の厚さを適宜調整することにより、駆動軸２ｃの軸方向の位置を調整することができる。つまり、スラスト方向へのロータ２の位置調整が行える。なお、シャフト４３と駆動軸２ｃとは、キー４７によって相互の回転方向への移動が拘束されて一体で回転するようにされている。

このような構成により、このロータ２は、駆動軸２ｃの基端部が貫通穴４３ａに挿入された状態で固定されることにより、減速機等を介さずにシャフト４３と駆動軸２ｃを直接接続し、ロータ２がモータ４０のシャフト４３の両側の軸受４４、４４によって片持ち構造に支承される。ここで、上記の永久磁石ブラシレスモータであるモータ４０は、軸受４４、４４による軸受構造が、上記のロータ２にかかるスラスト荷重やラジアル荷重を十分に受けられ、さらに８０℃〜１３０℃の高温にも耐えられるものである。さらに、このモータ４０は、モータ回転数が５０〜１０００ｍｉｎ^−１の回転領域において当該一軸偏心ねじポンプ１に必要とされるトルクを十分に出力できるものである。

ロータ２の螺旋部２ａは、自身の回転軸線Ｌ２に対して偏心した円形断面を有しており、この螺旋部２ａが、雌ねじ状の長円形断面を内面に形成したステータ４の螺旋部４ｅに内装されるとともに、ステータ４の回転軸線Ｌ１に対して、ロータ２の回転軸線Ｌ２が所定の偏心量Ｅだけ偏心するように配置されている。
ステータ４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５および自己潤滑軸受６を介して上記ハウジング７内に回転自在に支承されている。なお、ハウジング７を構成する吸込部７ａおよび本体部７ｂの内周面には、凹の段部７ｔがそれぞれに形成されている。また、ステータ４自身の外周面（後述するステータ外筒４ｂ，４ｃ）にも、その両端部に自己潤滑軸受５、６が外嵌される凹の段部４ｕがそれぞれ形成され、これら凹の段部４ｕおよび７ｔによって、自己潤滑軸受５、６の軸方向への移動が拘束されるようになっている。

このステータ４は、軸方向の中央に配設された一つのステータ内筒４ａを有する。このステータ内筒４ａは、ゴム製の本体部４ｈと、この本体部４ｈの外周面に接着された円筒状をなす金属製の躯体部４ｇとからなる。そして、このステータ内筒４ａには、その外側に金属製の二つのステータ外筒４ｂ，４ｃが嵌め込まれてハウジング７内に固定されている。なお、本体部４ｈ内部に形成される雌ねじ状の螺旋部４ｅは、その雌ねじ状のピッチがロータ２の螺旋部２ａの２倍である。

各ステータ外筒４ｂ、４ｃは、ステータ内筒４ａの外側の躯体部４ｇにインロー嵌合して嵌め込まれる円筒部４ｋと、この円筒部４ｋの吸入側または吐出側の端部に設けられた端面部４ｄとをそれぞれ有する。ステータ外筒４ｂの端面部４ｄとステータ内筒４ａの両側の端面４ｔとの間（相互の軸方向対向面間）には、円環状のステータパッキン１２，１４が吸入側および吐出側それぞれに介装されている。そして、各ステータ外筒４ｂ、４ｃは、押しねじ１９によってステータ内筒４ａの躯体部４ｇにそれぞれ固定されることで、これらが一体で回転するようになっている。

次に、この一軸偏心ねじポンプの作用・効果について説明する。
この一軸偏心ねじポンプ１は、駆動軸２ｃが一体をなして直結された雄ねじ状の螺旋部２ａを有するロータ２と、回転可能に支承されるとともにその回転軸線Ｌ１がロータ２の回転軸線Ｌ２に対して偏心して配置される雌ねじ状の螺旋部４ｅを内面に有するステータ４とを備え、ロータ２が回転しつつステータ４の軸心に対して偏心運動を行うことによって粘性液を吸入側から吐出側へ圧送する構成なので、モータ４０の駆動によってロータ２を回転させると、ロータ２はその回転軸線Ｌ２を中心として回転し、ロータ２の螺旋部２ａの動きに伴ってステータ４もその回転軸線Ｌ１を中心としてロータ２の回転と同期して従動回転することにより、粘性液を吸込口８から吐出口９へ圧送することができる。この一軸偏心ねじポンプ１によれば、自在継手を用いない構成とすることができるので、構造が簡単であり、特に食品の圧送においては、自在継手のデッドスペースの洗浄の問題も解消され、吸入側の吸込み部における粘性液の流入も阻害されず、振動も少ない。

そして、この一軸偏心ねじポンプ１によれば、モータ４０のシャフト４３部分によるロータ２の支承構造は、ロータ２が、その螺旋部２ａと一体をなす駆動軸２ｃの基端部がシャフト４３の貫通穴４３ａに挿入された状態でシャフト４３に固定されることにより、減速機等を介さずにシャフト４３と駆動軸２ｃとが直接接続され、ロータ２がモータ４０の軸受４４、４４によって片持ち構造に支承されているので、上述のような駆動軸の軸受機構（図５、図６の符号３０４参照）を不要とし、ロータ２の片持ちされる長さを短縮することができる。そのため、ロータ２にかかるスラスト荷重やラジアル荷重を十分に受けることができる。そして、カップリング等の連結機構（図３、図６での符号１０４参照）を不要とし、モータ４０とポンプ（ハウジング７の部分）がいわば一体化されることから、従来の一軸偏心ねじポンプよりも格段にコンパクトに構成可能である。

また、この一軸偏心ねじポンプ１によれば、駆動軸２ｃの基端部が、シャフト４３の貫通穴４３aに同軸に挿入可能に且つスラスト方向にスライド移動可能に形成されているので、スラスト方向へのロータ２の位置調整が行える。そのため、軸封部分にメカニカルシール３０を用いた場合のシール面の面圧調整が簡便になるとともに、モータ４０を分解することなく、ロータ２を駆動部であるモータ４０のシャフト４３から簡単に取り外すことが可能となる。

さらに、この一軸偏心ねじポンプ１によれば、モータ４０が永久磁石ブラシレスモータであり、この永久磁石ブラシレスモータは、モータの回転数が５０〜１０００ｍｉｎ^−１の回転領域において一軸偏心ねじポンプに必要とされるトルクを十分に出力できるものなので、モータ４０からの直接駆動を行う上で好適である。
さらに、この一軸偏心ねじポンプ１によれば、モータ４０の軸受構造として、軸受４４、４４に高耐荷重かつ高温対応の軸受を使用しているので、ロータ２にかかるスラスト荷重やラジアル荷重を十分に受けられ、さらに８０℃〜１３０℃の高温にも耐えられる構成とする上で好適である。なお、モータ４０として、本実施形態のような永久磁石ブラシレスモータではなく、ブラシモータであっても採用可能であるが、永久磁石ブラシレスモータの方がブラシモータに比べて高効率でエネルギー損失が少なく、構成部品も少ないため、高温対応のためには好適である。

以上説明したように、このステータ回転型の一軸偏心ねじポンプ１によれば、ロータ２にかかるスラスト荷重やラジアル荷重を十分に受けられ、また、例えば８０℃〜１３０℃の高温にも耐えることができる。
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である。
例えば、上記実施形態では、モータ４０のシャフト４３部分によるロータ２の支承構造として、シャフト４３の貫通穴４３ａが単一の内径で貫通して形成された例で説明したが、これに限定されず、例えば、図２に変形例を示すように、貫通穴４３ａに段部を設けてもよい。以下、異なる点について説明する（他の部分の符号や説明は省略する）。

つまり、同図に示す例では、シャフト４３の貫通穴４３ａは、その途中部分に段部４３ｐが形成され、段部４３ｐよりも後方が、ボルト５０を挿通可能な細径の貫通穴４３ｒとされている。そして、駆動軸２ｃは、軸方向の長さが細径の貫通穴４３ｒの形成された長さの分だけ後端が短くなっている点が、上記実施形態の例と異なっている。
このような構成であっても、このロータ２は、駆動軸２ｃの基端部が貫通穴４３ａに挿入された状態で上記実施形態同様に固定されることにより、減速機等を介さずにシャフト４３と駆動軸２ｃを直接接続し、ロータ２がモータ４０のシャフト４３の両側の軸受４４、４４によって片持ち構造に支承することができる。よって、上述した実施形態同様の作用効果を奏することができる。

１ 一軸偏心ねじポンプ
２ ロータ
４ ステータ
５,６ 自己潤滑軸受
７ ハウジング
８ 吸込口
９ 吐出口
１１ ブラケット
１２，１４ ステータパッキン
３０ メカニカルシール
４０ モータ
４１ 永久磁石
４３ シャフト
４３ａ 貫通穴
４４ 軸受
４５ 胴部
４６ 後部
４７ キー
５０ ボルト
Ｅ 偏心量
Ｌ１ 回転軸線
Ｌ２ 回転軸線

Claims (2)

1. 軸受によって回転自在に支承されるシャフトを有するモータと、該モータのシャフトに連結される駆動軸と、該駆動軸の先端部に一体をなして直結された雄ねじ状の螺旋部を有するロータと、回転可能に支承されるとともに自身の回転軸線が前記ロータの回転軸線に対して偏心して配置される雌ねじ状の内面を有するステータとを備え、前記モータの駆動により、前記駆動軸を介して前記ロータが回転しつつ前記ステータの軸心に対して偏心運動を行うことによって粘性液を吸入側から吐出側へ圧送する一軸偏心ねじポンプであって、
   前記モータのシャフトは、自身軸方向に同軸に貫通する貫通穴を有し、前記駆動軸は、自身の基端部が、前記シャフトの貫通穴に同軸に挿入可能に且つスラスト方向にスライド移動可能に形成されており、
   前記駆動軸の基端部が前記シャフトの貫通穴に挿入された状態で前記シャフトに固定されることにより前記シャフトと前記駆動軸とが直接接続され、前記ロータが前記モータの前記軸受によって片持ち構造に支承されることを特徴とする一軸偏心ねじポンプ。
2. 前記モータが、永久磁石ブラシレスモータ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。

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