JP2018127998A - ポンプ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】メンテナンスが不要な変速機を備えたポンプ装置を提供する。【解決手段】磁気変速機1は、第1回転軸3に固定された第1ロータ5と、第1ロータ5に固定された第1永久磁石8と、第2回転軸16に固定された第2ロータ6と、第2ロータ6に固定された第2永久磁石14と、第1永久磁石8と第2永久磁石14との間に配置された固定磁極片10と、固定磁極片10が固定されたハウジング20とを備える。第1回転軸3は、ポンプ50の回転軸および原動機2の回転軸のうちの一方に連結され、第2回転軸16は、ポンプ50の回転軸および原動機2の回転軸のうちの他方に連結される。ハウジング20は、ポンプ50と原動機2の少なくとも一方に固定されている。【選択図】図1

Description

本発明は、液体を移送するためのポンプ装置に関し、特に原動機と羽根車とを変速機で連結したポンプ装置に関する。
ポンプ装置は、原動機により発生したトルクを羽根車に伝達し、羽根車を回転させることで液体を移送する回転機械である。原動機は回転軸を介して羽根車に連結される。揚液に必要な羽根車の回転速度は、原動機の定格速度とは異なることがある。そこで、羽根車の回転速度を上げる、または下げるために、原動機と羽根車との間にギヤ式変速機が配置されることがある。
特開2013−211949号公報
ギヤ式変速機には、歯車の摩耗を軽減するために、潤滑油が用いられる。しかしながら、潤滑油は温度変化や時間経過により劣化し、さらに潤滑油漏れによる油量減少が発生することがある。また、ギヤ式変速機の動作は歯車と歯車との接触を伴うために、潤滑油を用いても歯車の摩耗や破損が発生する可能性がある。そのため、ギヤ式変速機には定期的なメンテナンスが必須であり、そのメンテナンス中はポンプ装置を停止させる必要があり、液体の移送を一時的に停止させることとなる。
そこで、本発明は、メンテナンスが不要な変速機を備えたポンプ装置を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、原動機と、液体を移送するためのポンプと、前記ポンプの回転軸と前記原動機の回転軸とを連結する磁気変速機とを備え、前記磁気変速機は、第1回転軸と、前記第1回転軸に固定された第1ロータと、前記第1ロータに固定された第1永久磁石と、第2回転軸と、前記第2回転軸に固定された第2ロータと、前記第2ロータに固定された第2永久磁石と、前記第1永久磁石と前記第2永久磁石との間に配置された固定磁極片と、前記固定磁極片が固定されたハウジングとを備え、前記第1回転軸は、前記ポンプの回転軸および前記原動機の回転軸のうちの一方に連結され、前記第2回転軸は、前記ポンプの回転軸および前記原動機の回転軸のうちの他方に連結され、前記ハウジングは、前記ポンプと前記原動機の少なくとも一方に固定されていることを特徴とするポンプ装置である。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプは、両吸込型の横軸ポンプであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプは、多段遠心ポンプであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプは、単段遠心ポンプであることを特徴とする。
本発明の一態様は、原動機と、液体を移送するためのポンプと、前記ポンプの回転軸と前記原動機の回転軸とを連結する磁気変速機と、前記磁気変速機を収容する変速機カバーを備え、前記磁気変速機は、第1回転軸と、前記第1回転軸に固定された第1ロータと、前記第1ロータに固定された第1永久磁石と、第2回転軸と、前記第2回転軸に固定された第2ロータと、前記第2ロータに固定された第2永久磁石と、前記第1永久磁石と前記第2永久磁石との間に配置された固定磁極片と、前記固定磁極片が固定されたハウジングとを備え、前記第1回転軸は、前記ポンプの回転軸および前記原動機の回転軸のうちの一方に連結され、前記第2回転軸は、前記ポンプの回転軸および前記原動機の回転軸のうちの他方に連結され、前記ハウジングは、前記変速機カバーに固定されていることを特徴とするポンプ装置である。
磁気変速機は、ギヤ式変速機とは異なり、歯車と歯車の接触がないため、構成要素の摩耗や破損がない。さらに潤滑油も不要であるため、メンテナンスが不要となる。つまり、歯車のメンテナンス時に生じる一時的なポンプ停止状態を回避することが可能となる。
磁気変速機は機械的な接触がないため、ポンプに異物が侵入し羽根車が拘束状態となっても、磁気変速機自体が脱調する。そのため、原動機への過負荷を防ぐことができ、ポンプ側の部品交換のみで修理が完了する。
磁気変速機を増速機として利用した場合、原動機の回転速度を上げることなく、ポンプの回転速度を上げることができるため、ポンプの羽根車の径を小さくでき、ポンプの小型化が可能となる。さらに、原動機として電動機を用いた場合には、電動機自体の回転速度は上げずに済むため鉄損の増加を回避することができる。
ポンプ装置に組み込まれる磁気変速機の一実施形態を示す断面図である。 図1に示す第1永久磁石、固定磁極片、第2永久磁石のA−A線断面図である。 図1のB−B線断面図である。 取り付けブラケットの他の実施形態を示す断面図である。 磁気変速機の他の実施形態を示す図である。 磁気変速機の他の実施形態を示す図である。 磁気変速機を備えたポンプ装置の一実施形態を示す図である。 磁気変速機を備えたポンプ装置の一実施形態を示す図である。 磁気変速機を備えたポンプ装置の一実施形態を示す図である。 図9に示す変速機ガードの分解図である。 磁気変速機を備えたポンプ装置の一実施形態を示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、ポンプ装置に組み込まれる磁気変速機の一実施形態を示す断面図である。磁気変速機1は、第1回転軸3と、第1回転軸3に固定された第1ロータ5と、第1ロータ5に固定された複数の第1永久磁石8と、第1永久磁石8に隣接する複数の固定磁極片10と、固定磁極片10に隣接する複数の第2永久磁石14と、第2永久磁石14が固定された第2ロータ6と、第2ロータ6に固定された第2回転軸16を備えている。
本実施形態の磁気変速機1は、第1永久磁石8、固定磁極片10、第2永久磁石14が半径方向に配列されたラジアル型の磁気変速機である。すなわち、複数の第1永久磁石8は第1ロータ5の外周面に固定され、複数の固定磁極片10は第1永久磁石8の半径方向外側に配置され、複数の第2永久磁石14は固定磁極片10の半径方向外側に配置されている。一実施形態では、複数の第1永久磁石8は第1ロータ5内に埋設されてもよい。また、一実施形態では、磁気変速機1は、第1永久磁石8、固定磁極片10、第2永久磁石14が軸方向に配列されたアキシャル型の磁気変速機であってもよい。
第1ロータ5、第1永久磁石8、固定磁極片10、第2永久磁石14、および第2ロータ6は、ハウジング20内に収容されている。ハウジング20は、第1回転軸3が貫通する第1隔壁21と、第2回転軸16が貫通する第2隔壁22と、第1隔壁21と第2隔壁22との間に配置された周壁23と、第1隔壁21に接続された取り付けブラケット25を備えている。第1隔壁21、第2隔壁22、および周壁23により、ハウジング20内に空間が形成されており、この空間内に第1ロータ5、第1永久磁石8、固定磁極片10、第2永久磁石14、および第2ロータ6が配置されている。
第1隔壁21と周壁23の一端とはボルトまたはねじなどの締結具28によって締結され、第2隔壁22と周壁23の他端とはボルトまたはねじなどの締結具29によって締結されている。第1隔壁21と周壁23は一体に形成してもよく、または第2隔壁22と周壁23は一体に形成してもよい。本実施形態では、第1隔壁21と取り付けブラケット25は一体である。一実施形態では、取り付けブラケット25は第1隔壁21に着脱可能に取り付けられてもよい。取り付けブラケット25は原動機2のケーシングにボルトまたはねじなどの締結具30によって固定されている。原動機2は、例えば電動機である。
固定磁極片10はハウジング20に固定されている。第1回転軸3は、第1隔壁21に固定された第1軸受33によって回転可能に支持され、第2回転軸16は、第2隔壁22に固定された第2軸受34によって回転可能に支持されている。第1回転軸3の端部と第2ロータ6との間には中間軸受36が挟まれている。より具体的には、中間軸受36の内輪は第1回転軸3の端部を支持し、中間軸受36の外輪は第2ロータ6を支持している。第1回転軸3と第2回転軸16は互いに独立に回転することが可能である。
第1回転軸3と第2回転軸16は、共通の軸心CL上に一列に並んでおり、軸心CLを中心に回転することができる。第1ロータ5と第1回転軸3は同心状である。第1ロータ5および第1永久磁石8は、第1回転軸3と一体に回転可能である。第1永久磁石8は、第1ロータ5および第1回転軸3の軸心CLの周りに等間隔に配列されている。第2ロータ6の一部は円筒形状を有しており、第2永久磁石14は第2ロータ6の内周面に固定されている。第2ロータ6と第2回転軸16は同心状である。第2ロータ6および第2永久磁石14は、第2回転軸16と一体に回転可能である。第2永久磁石14は、第1ロータ5および第1回転軸3の軸心CLの周りに等間隔に配列されている。
図2は、図1に示す第1永久磁石8、固定磁極片10、第2永久磁石14のA−A線断面図である。固定磁極片10は磁性材料から構成されており、第1ロータ5および第1回転軸3の軸心CLの周りに等間隔に配列されている。固定磁極片10は、第1永久磁石8と第2永久磁石14との間に配置されている。固定磁極片10は、第1永久磁石8と第2永久磁石14とは非接触である。すなわち、固定磁極片10と第1永久磁石8との間には隙間が形成され、固定磁極片10と第2永久磁石14との間には隙間が形成されている。
図1に示すように、固定磁極片10はハウジング20の第1隔壁21に固定されており、ハウジング20は原動機2のケーシングに固定されている。したがって、第1永久磁石8と第2永久磁石14が回転可能であるのに対して、固定磁極片10は回転しない。第2永久磁石14の数は第1永久磁石8の数よりも多く、固定磁極片10の数は、第1永久磁石8の数および第2永久磁石14の数よりも多い。このような構成によれば、トルクは第1回転軸3から第2回転軸16に伝達されつつ、第2回転軸16は第1回転軸3よりも低い速度で回転する。
図3は図1のB−B線断面図である。取り付けブラケット25には通風孔25aが形成されている。磁気変速機1は運転時に熱を発生する。外気は通風孔25aを通じて取り付けブラケット25内(すなわちハウジング20内)に進入し、磁気変速機1を冷却することができる。
図4は、取り付けブラケット25の他の実施形態を示す断面図である。ポンプ装置が液中で使用される場合は、磁気変速機1内への液体の浸入を防ぐ必要がある。そこで、図4に示す実施形態では、取り付けブラケット25には上述した通風孔25aは形成されておらず、取り付けブラケット25は完全に閉じられた形状を有している。
図1に示す実施形態では、ハウジング20は原動機2に固定され、第1回転軸3は原動機2の回転軸2aに接続され、第2回転軸16はポンプ50の回転軸53に接続されている。原動機2のトルクは、磁気変速機1を介してポンプ50の回転軸53に伝達され、回転軸53に固定された羽根車が回転する。
図5に示すように、第1隔壁21に代えて、第2隔壁22に取り付けブラケット25を設けてもよい。この実施形態では、取り付けブラケット25(すなわちハウジング20)はポンプ50に固定される。第1隔壁21および第2隔壁22の両方に取り付けブラケット25を設けて、磁気変速機1のハウジング20を原動機2およびポンプ50の両方に固定してもよい。
図1および図5に示す実施形態では、磁気変速機1は減速機として機能する。さらに、図1および図5に示す磁気変速機1は増速機として機能することも可能である。例えば、図6に示すように、第2回転軸16は原動機2の回転軸2aに接続され、第1回転軸3はポンプ50の回転軸53に接続されてもよい。図6に示す実施形態でも、磁気変速機1のハウジング20は、原動機2および/またはポンプ50に固定される。
次に、磁気変速機1を備えたポンプ装置の実施形態について説明する。図7は、磁気変速機1を備えたポンプ装置の一実施形態を示す図である。ポンプ装置は、原動機2と、図1に示す磁気変速機1と、ポンプ50とを備えている。図7に示す実施形態のポンプ50は、液体を移送するための両吸込型の横軸ポンプである。原動機2の回転軸2aは、磁気変速機1の第1回転軸3に連結され、横軸ポンプ50の回転軸53は磁気変速機1の第2回転軸16に連結されている。磁気変速機1のハウジング20は原動機2のケーシングに固定されている。本実施形態では、磁気変速機1は減速機として機能する。
図7において、符号51は上部ケーシングであり、符号52が下部ケーシングであり、これら上下部ケーシング51,52によりポンプケーシングが構成されている。下部ケーシング52には吸込口52aが形成されるとともに吐出口(図示せず)が形成されている。そして、ポンプケーシング内には両吸込型羽根車60が配置されている。両吸込型羽根車60は回転軸53に固定されており、回転軸53はその両端部近傍で軸受54,55により回転可能に支承されている。
回転軸53がポンプケーシングを貫通する部分には軸封装置56,57が設けられている。両吸込型羽根車60は回転軸53に固定されている。回転軸53の外周面にはキー58が形成されている。このキー58は両吸込型羽根車60に形成されたキー溝(図示せず)に嵌合しており、両吸込型羽根車60は回転軸53と一体に回転可能となっている。
原動機2のトルクは磁気変速機1を介して横軸ポンプ50の回転軸53に伝達され、両吸込型羽根車60が回転する。液体は吸込口52aを通じてポンプケーシング内に吸い込まれ、両吸込型羽根車60の回転に伴って昇圧され、ポンプケーシングの吐出口(図示せず)から吐き出される。
横軸ポンプ50は、大量の液体を移送するために直径の大きな両吸込型羽根車60を有している。本実施形態では、磁気変速機1は減速機として機能するので、高いトルクを両吸込型羽根車60に伝達することができる。両吸込型羽根車60は、揚液に必要とされる速度で回転し、液体を所望の流量で汲み上げることができる。
図8は、磁気変速機1を備えたポンプ装置の一実施形態を示す図である。ポンプ装置は、原動機2と、図6に示す磁気変速機1と、ポンプ50とを備えている。図8に示す実施形態のポンプ50は、液体を移送するための多段遠心ポンプである。一実施形態では、ポンプ50は、液体を移送するための単段遠心ポンプであってもよい。原動機2の回転軸2aは、磁気変速機1の第2回転軸16に連結され、多段遠心ポンプ50の回転軸53は磁気変速機1の第1回転軸3に連結されている。磁気変速機1のハウジング20は原動機2のケーシングに固定されている。本実施形態では、磁気変速機1は増速機として機能する。
多段遠心ポンプ50は、水平に延びる回転軸53と、回転軸53に固定された複数の遠心羽根車72と、これら遠心羽根車72を収容するポンプケーシング73とを備えている。回転軸53は、軸受75,75により回転自在に支持されている。
ポンプケーシング73は、吸込口77を有する吸込ケーシング79と、吐出口81を有する吐出ケーシング83と、吸込ケーシング79と吐出しケーシング83との間に配置された中間ケーシング85とを有している。中間ケーシング85は、複数の環状のケーシングピース85aが軸方向に積み重なった構造を有している。各遠心羽根車72の径方向外側には、ディフューザ88が配置されている。各ケーシングピース85a内には、1組の遠心羽根車72およびディフューザ88が配置されている。
回転軸53は、吸込ケーシング79、中間ケーシング85、および吐出しケーシング83を貫通して延びている。吸込ケーシング79および吐出しケーシング83の外側には、軸封機構91,92がそれぞれ設けられている。軸封機構91,92としては、メカニカルシールやグランドパッキンなどが使用される。
原動機2のトルクは磁気変速機1を介して多段ポンプ50の回転軸53に伝達され、遠心羽根車72が回転する。液体は吸込口77を通じてポンプケーシング73内に吸い込まれ、遠心羽根車72の回転に伴って昇圧され、吐出口81から吐き出される。
図9は、磁気変速機1を備えたポンプ装置の一実施形態を示す図である。ポンプ装置は、原動機2と、図6に示す磁気変速機1と、ポンプ50とを備えている。原動機2は電動機から構成されている。図9に示す実施形態のポンプ50は、液体を移送するための単段遠心ポンプである。原動機2の回転軸は、磁気変速機1の第2回転軸16(図1参照)に連結され、単段遠心ポンプ50の回転軸53は磁気変速機1の第1回転軸3(図1参照)に連結されている。磁気変速機1のハウジング20は変速機ガード102に固定されている。本実施形態では、磁気変速機1は増速機として機能する。一実施形態では、磁気変速機1の第1回転軸3(図1参照)を原動機2の回転軸に連結し、磁気変速機1の第2回転軸16(図1参照)を単段遠心ポンプ50の回転軸53に連結することで、磁気変速機1を減速機として使用してもよい。
磁気変速機1は変速機ガード102内に収容されており、磁気変速機1のハウジング20は変速機ガード102にねじ105によって取り外し可能に固定されている。変速機ガード102、単段遠心ポンプ50、および原動機2は、ベース106に固定されている。単段遠心ポンプ50は、遠心羽根車108を内部に収容するポンプケーシング110を備えている。この遠心羽根車108は回転軸53に固定されている。ポンプケーシング110は、液体の吸込口111および吐出口112を有している。
図10は、変速機ガード102の分解図である。変速機ガード102は、ガード本体120と、2つの脚部122,123とを備えている。ガード本体120は、軸線AL方向に延びる円筒状の胴部125と、胴部125の両端に固定された側部127,128とを備える。ガード本体120の内部空間には、磁気変速機1が収容される。ガード本体120は、2つの脚部122,123によって支持される。脚部122,123の上端は、ガード本体120を支持し、脚部122,123の下端は、ベース106にボルト131,132で固定される。
側部127の中央には、側部127から外方に向けて突出した、環状のノズル135が形成されている。ノズル135からは磁気変速機1の第1回転軸3が外方に延びている。側部128の中央には孔(図示省略)が形成され、その孔には原動機2の回転軸が延びている。原動機2の回転軸は磁気変速機1の第2回転軸16(図1参照)に連結されている。
磁気変速機1のハウジング20には、複数のねじ穴137が形成されている。変速機ガード102の側部127には、ねじ105が貫通可能な複数の通孔138が形成されている。ねじ穴137と通孔138は軸方向から見て同じ位置に配列されている。複数のねじ105は、通孔138を通ってねじ穴137に螺合される。磁気変速機1のハウジング20は、ねじ105によって変速機ガード102に固定される。
原動機2のトルクは磁気変速機1を介して単段遠心ポンプ50の回転軸53に伝達され、遠心羽根車108が回転する。液体は吸込口111を通じてポンプケーシング110内に吸い込まれ、遠心羽根車108の回転に伴って昇圧され、吐出口112から吐き出される。
図11は、磁気変速機1を備えたポンプ装置の一実施形態を示す図である。図11に示す実施形態のポンプ装置は、井戸から液体を汲み上げるための深井戸ポンプ装置である。このポンプ装置は、原動機2と、図6に示す磁気変速機1と、ポンプ50とを備えている。ポンプ装置は井戸内に縦に設置される。ポンプ50は原動機2よりも上方に位置している。本実施形態では、原動機2は電動機から構成されている。
ポンプ50は、複数の遠心羽根車151を備えた多段遠心ポンプである。多段遠心ポンプ50は、鉛直方向に延びる回転軸53と、回転軸53に固定された複数の遠心羽根車151と、これら遠心羽根車151を収容するポンプケーシング156とを備えている。原動機2の回転軸2aは、磁気変速機1の第2回転軸16に連結され、多段遠心ポンプ50の回転軸53は磁気変速機1の第1回転軸3に連結されている。磁気変速機1のハウジング20は、原動機2のケーシングおよび多段遠心ポンプ50のポンプケーシング156の両方に固定されている。本実施形態では、磁気変速機1は増速機として機能する。
ポンプケーシング156は、吸込口157および吐出口158を有している。吸込口157は、ストレーナから構成されており、異物の多段遠心ポンプ50への侵入を防いでいる。吐出口158はポンプケーシング156の上部に設けられている。
原動機2のトルクは磁気変速機1を介して多段遠心ポンプ50の回転軸53に伝達され、遠心羽根車151が回転する。液体は吸込口157を通じてポンプケーシング156内に吸い込まれ、遠心羽根車151の回転に伴って昇圧され、吐出口158から吐き出される。
上述した各実施形態に係る磁気変速機1は、ギヤ式変速機とは異なり、歯車と歯車の接触がないため、構成要素の摩耗や破損がない。さらに潤滑油も不要であるため、メンテナンスが不要となる。つまり、歯車のメンテナンス時に生じる一時的なポンプ50の停止状態を回避することが可能となる。
磁気変速機1は機械的な接触がないため、ポンプ50に異物が侵入し羽根車が拘束状態となっても、磁気変速機1自体が脱調する。そのため、原動機2の過負荷を防ぐことができ、ポンプ側の部品交換のみで修理が完了する。
磁気変速機1を増速機として利用した場合、原動機2の回転速度を上げることなく、ポンプ50の回転速度を上げることができるため、ポンプ50の羽根車の径を小さくでき、ポンプ50の小型化が可能となる。さらに、原動機2として電動機を用いた場合には、電動機自体の回転速度は上げずに済むため鉄損の増加を回避することができる。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
1 磁気変速機
3 第1回転軸
5 第1ロータ
6 第2ロータ
8 第1永久磁石
10 固定磁極片
14 第2永久磁石
16 第2回転軸
20 ハウジング
21 第1隔壁
22 第2隔壁
23 周壁
25 取り付けブラケット
28,29,30 締結具
33 第1軸受
34 第2軸受
36 中間軸受
50 ポンプ
53 回転軸

Claims (5)

  1. 原動機と、
    液体を移送するためのポンプと、
    前記ポンプの回転軸と前記原動機の回転軸とを連結する磁気変速機とを備え、
    前記磁気変速機は、
    第1回転軸と、
    前記第1回転軸に固定された第1ロータと、
    前記第1ロータに固定された第1永久磁石と、
    第2回転軸と、
    前記第2回転軸に固定された第2ロータと、
    前記第2ロータに固定された第2永久磁石と、
    前記第1永久磁石と前記第2永久磁石との間に配置された固定磁極片と、
    前記固定磁極片が固定されたハウジングとを備え、
    前記第1回転軸は、前記ポンプの回転軸および前記原動機の回転軸のうちの一方に連結され、
    前記第2回転軸は、前記ポンプの回転軸および前記原動機の回転軸のうちの他方に連結され、
    前記ハウジングは、前記ポンプと前記原動機の少なくとも一方に固定されていることを特徴とするポンプ装置。
  2. 前記ポンプは、両吸込型の横軸ポンプであることを特徴とする請求項1に記載のポンプ装置。
  3. 前記ポンプは、多段遠心ポンプであることを特徴とする請求項1に記載のポンプ装置。
  4. 前記ポンプは、単段遠心ポンプであることを特徴とする請求項1に記載のポンプ装置。
  5. 原動機と、
    液体を移送するためのポンプと、
    前記ポンプの回転軸と前記原動機の回転軸とを連結する磁気変速機と、
    前記磁気変速機を収容する変速機カバーを備え、
    前記磁気変速機は、
    第1回転軸と、
    前記第1回転軸に固定された第1ロータと、
    前記第1ロータに固定された第1永久磁石と、
    第2回転軸と、
    前記第2回転軸に固定された第2ロータと、
    前記第2ロータに固定された第2永久磁石と、
    前記第1永久磁石と前記第2永久磁石との間に配置された固定磁極片と、
    前記固定磁極片が固定されたハウジングとを備え、
    前記第1回転軸は、前記ポンプの回転軸および前記原動機の回転軸のうちの一方に連結され、
    前記第2回転軸は、前記ポンプの回転軸および前記原動機の回転軸のうちの他方に連結され、
    前記ハウジングは、前記変速機カバーに固定されていることを特徴とするポンプ装置。

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