JP2021139311A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メカニカルシールなどの軸封装置を不要とするポンプ装置を提供する。【解決手段】ポンプ装置は、水密構造を有する電動機１と、電動機１に連結された回転軸３と、回転軸３に固定された羽根車５と、電動機１、回転軸３、および羽根車５を内部に収容するポンプケーシング７と、ポンプケーシング７に接続された吸い込み口１０および吐き出し口１１を備え、電動機１および羽根車５は、吸い込み口１０と吐き出し口１１の間に位置している。【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプおよび電動機を備えた液体用のポンプ装置に関する。

図１１は、一般的なポンプ装置を示す模式図である。ポンプ装置は、液体を吸い上げるための羽根車５００を有するポンプ５０１と、羽根車５００が固定された回転軸５０３と、回転軸５０３に連結された電動機５０４を有する。羽根車５００はポンプケーシング５０５内に配置されており、電動機５０４はポンプケーシング５０５の外に配置されている。

電動機５０４によって回転軸５０３が回転されると、回転軸５０３とともに羽根車５００が回転する。液体は、ポンプ５０１の吸い込み口５０６から吸い込まれ、回転する羽根車５００によって昇圧され、そしてポンプ５０１の吐き出し口５０７から吐き出される。

ポンプ装置の運転中、ポンプケーシング５０５の内部は高圧の液体で満たされる。そこで、高圧の液体が回転軸５０３とポンプケーシング５０５との隙間から漏れないようにするために、ポンプ装置は軸封装置としてのメカニカルシール５１０を備えている。メカニカルシール５１０は、回転軸５０３に固定された回転側摺動部５１１と、ポンプケーシング５０５に固定された静止側摺動部５１２とが摺接する構成を有している。このようなメカニカルシール５１０は、液体の漏洩を最小とすることができる。

特開２００３−２４１４９号公報

しかしながら、回転側摺動部５１１および静止側摺動部５１２のうちのいずれか一方または両方が許容レベルを超えて摩耗すると、液体の漏れ量が多くなる。したがって、メカニカルシール５１０の定期的なメンテナンスを行って、液体の漏れを最小限に維持することが必要とされる。

特に、最近では、ポンプ性能を向上させる観点から、ポンプ５０１の高速運転化が要請されている。羽根車５００を高速で回転させると、ポンプ５０１自体の大きさを維持しつつ、より高い揚程を達成することができる。しかしながら、ポンプ５０１を高速で運転するためには、メカニカルシール５１０は高い耐摩耗性を備える必要がある。このため、汎用のメカニカルシールではなく、特注のメカニカルシールを使用する必要があり、コストが上昇する。

そこで、本発明は、メカニカルシールなどの軸封装置を不要とするポンプ装置を提供する。

一態様では、液体を移送するためのポンプ装置であって、水密構造を有する電動機と、前記電動機に連結された回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記電動機、前記回転軸、および前記羽根車を内部に収容するポンプケーシングと、前記ポンプケーシングに接続された吸い込み口および吐き出し口を備え、前記電動機および前記羽根車は、前記吸い込み口と前記吐き出し口の間に位置している、ポンプ装置が提供される。

一態様では、前記ポンプケーシングは、前記電動機を囲む液体流路を前記ポンプケーシングの内部に形成している。
一態様では、前記回転軸は鉛直方向に延びており、前記吐き出し口は、前記回転軸よりも高い位置にある。
一態様では、前記吸い込み口と前記吐き出し口は、一直線上に並んでいる。
一態様では、前記羽根車は、主板と、側板と、前記主板と前記側板との間に配列された複数の翼と、前記主板の外周縁から径方向外側に突出する複数の突出部を有しており、前記主板の直径は、前記側板の直径よりも小さい。

電動機および回転軸の全体は、ポンプケーシング内に位置している。このような構成は、回転軸とポンプケーシングとの隙間を封止することを必要としない。したがって、メカニカルシールなどの軸封装置を不要とすることができる。

ポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。 図１に示す羽根車を軸方向から見た図である。 図１に示すポンプ装置の運転中における液体の流れを説明する図である。 ポンプ装置の他の実施形態を示す断面図である。 ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。 図５に示すポンプ装置の運転中における液体の流れを説明する図である。 ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。 図８（ａ）乃至図８（ｃ）は、ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す側面図である。 インライン型の立形ポンプ装置を示す側面図である。 インライン型の横形ポンプ装置を示す側面図である。 一般的なポンプ装置を示す模式図である。

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、ポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。本実施形態のポンプ装置は、液体を移送するための装置である。ポンプ装置は、水密構造を有する電動機（キャンドモータ）１と、電動機１に連結された回転軸３と、回転軸３に固定された羽根車５と、電動機１、回転軸３、および羽根車５を内部に収容するポンプケーシング７と、液体の吸い込み口１０および吐き出し口１１を備えている。電動機１および羽根車５は、吸い込み口１０と吐き出し口１１との間に位置している。回転軸３の全体も、吸い込み口１０と吐き出し口１１との間に位置している。

回転軸３は鉛直方向に延びている。回転軸３は単一の軸であり、電動機１から少なくとも羽根車５まで延びている。本実施形態のポンプ装置は、回転軸３が鉛直方向に延びる立形ポンプ装置であるが、本発明は立形ポンプ装置に限定されず、回転軸が水平に延びる横形ポンプ装置にも適用することができる。

ポンプ装置は、ポンプケーシング７内に配置されたインペラーケーシング１４をさらに備えている。羽根車５はインペラーケーシング１４内に配置されている。インペラーケーシング１４の全体は、ポンプケーシング７に囲まれている。インペラーケーシング１４の外面とポンプケーシング７の内面との間には、インペラーケーシング１４の全体を囲む円筒流路１５が形成されている。

本実施形態のポンプ装置は、複数の羽根車５を備えた多段ポンプ装置である。これら羽根車５は直列に配列されており、各羽根車５の液体入口は吸い込み口１０を向いている。吸い込み口１０は、ポンプケーシング７の一方の端部に接続されている。より具体的には、吸い込み口１０は、ポンプケーシング７の側面の下部に接続されており、横方向を向いている。一実施形態では、吸い込み口１０は、ポンプケーシング７の底部に接続され、下方を向いてもよい。この場合は、吸い込み口１０と吐き出し口１１は、一直線上に並んでもよい。

吐き出し口１１は、ポンプケーシング７の他方の端部に接続されている。より具体的には、吐き出し口１１は、ポンプケーシング７の上面に接続されている。吐き出し口１１は、電動機１、回転軸３、および羽根車５よりも高い位置にある。本実施形態では、吐き出し口１１は上方を向いているが、横を向いてもよい。一実施形態では、吐き出し口１１は、ポンプケーシング７の側面の上部に接続されてもよい。

電動機１は、羽根車５およびインペラーケーシング１４の下方に配置されている。電動機１は、水密構造を有する、いわゆるキャンドモータである。より具体的には、電動機１は、回転軸３に固定されたモータロータ１７と、モータロータ１７に対向するモータステータ１８と、モータステータ１８を密封するステータケーシング２１を備えている。モータステータ１８は、回転軸３の周りに配列された複数のステータコア１８Ａと、これらステータコア１８Ａに装着された複数のコイル１８Ｂを有している。コイル１８Ｂは図示しない電力線に接続されており、電力線を通じて電力がコイル１８Ｂに供給されるようになっている。

モータロータ１７は、回転軸３の周りに配列された複数の永久磁石１７Ａと、これら永久磁石１７Ａを収容するハウジング１７Ｂを備えている。永久磁石１７Ａは、Ｓ極とＮ極が交互に並んでいる。ハウジング１７Ｂの材料は特に限定されない。例えば、ハウジング１７Ｂは、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）などの樹脂から構成されてもよいし、あるいは金属（例えばステンレス鋼）から構成されてもよいし、あるいは樹脂と金属との組み合わせから構成されてもよい。

ステータケーシング２１は、モータステータ１８を水密的に覆っており、液体がモータステータ１８のステータコア１８Ａおよびコイル１８Ｂに接触することを防止している。ステータケーシング２１の材料は、ステータケーシング２１の機械的強度および水密構造が確保される限りにおいて、特に限定されない。例えば、ステータケーシング２１は、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）などの樹脂から構成されてもよいし、あるいは金属（例えば鋳鉄またはステンレス鋼）から構成されてもよいし、あるいは樹脂と金属との組み合わせから構成されてもよい。

本実施形態の電動機１は、モータロータ１７およびモータステータ１８が回転軸３の軸方向に沿って並ぶアキシャル型電動機である。モータロータ１７とモータステータ１８との間には、回転軸３の軸方向に隙間が存在する。本実施形態では、モータロータ１７はモータステータ１８の上方に位置しているが、一実施形態では、モータロータ１７はモータステータ１８の下方に位置してもよい。さらに、一実施形態では、２つのモータロータ１７が、軸方向においてモータステータ１８の両側に配置されてもよい（すなわち、モータステータ１８の上方および下方に配置されてもよい）。

ポンプ装置は、回転軸３を回転可能に支持する複数の軸受２４，２５，２６を有する。本実施形態では、軸受２４，２５，２６にはすべり軸受が採用されているが、軸受２４，２５，２６の具体的構成および配置は特に限定されない。吸込側の軸受２５，２６は、モータステータ１８に接続された２つの軸受ホルダ３２，３３に保持されている。吐出側の軸受２４は、インペラーケーシング１４に固定された軸受ホルダ３１に保持されている。吸込側の２つの軸受ホルダ３２，３３は、軸方向において電動機１の両側に配置されている。これら軸受ホルダ３２，３３は、回転軸３の軸方向に沿って延びる通孔３２ａ，３３ａをそれぞれ有している。下側の通孔３３ａは吸い込み口１０に連通している。上側の通孔３２ａは、羽根車５と電動機１との間に位置しており、インペラーケーシング１４の内部に連通している。

電動機１の全体は、ポンプケーシング７内に位置している。ポンプケーシング７は、電動機１を囲む液体流路４０をポンプケーシング７の内部に形成している。この液体流路４０は、円筒形状を有しており、吸い込み口１０およびインペラーケーシング１４の内部に連通している。インペラーケーシング１４は、羽根車５と電動機１の間に位置する複数の第１開口４１を有している。これらの第１開口４１は液体流路４０に連通している。電動機１および軸受ホルダ３２，３３は、ポンプケーシング７の底部に固定された支持台４３に支持されている。支持台４３は、液体流路４０に連通する複数の第２開口４５を有している。支持台４３はポンプケーシング７内に配置されており、かつ軸受ホルダ３３に接続されている。一実施形態では、支持台４３は電動機１に接続されてもよい。

回転軸３の全体は、ポンプケーシング７内に位置している。インペラーケーシング１４の下端（吸込側端部）は軸受ホルダ３２に接続されている。一実施形態では、インペラーケーシング１４の下端（吸込側端部）は、電動機１のステータケーシング２１に接続されてもよい。２つの軸受ホルダ３２，３３とステータケーシング２１は別部材であってもよく、あるいは２つの軸受ホルダ３２，３３のいずれか一方または両方は、ステータケーシング２１と一体であってもよい。

吸い込み口１０、電動機１、羽根車５、および吐き出し口１１は、回転軸３に沿って吸い込み口１０、電動機１、羽根車５、および吐き出し口１１の順に並んでいる。電動機１、回転軸３、および羽根車５は、ポンプケーシング７内に配置されており、かつ吸い込み口１０と吐き出し口１１との間に位置している。したがって、吸い込み口１０から流入した液体のすべては、電動機１の内側および外側を流れ、吐き出し口１１から吐き出される。

図２は、羽根車５を軸方向から見た図である。羽根車５は、主板５１と、側板５２と、主板５１と側板５２との間に配列された複数の翼５３を有している。主板５１は、回転軸３が貫通する通孔５１ａを有しており、側板５２は、その中央に液体入口５２ａを有している。主板５１の直径は、側板５２の直径よりも小さい。

羽根車５は、主板５１の外周縁から径方向外側に突出する複数の突出部５５をさらに備えている。これらの突出部５５は、主板５１と一体である。複数の突出部５５は、複数の翼５３の外側端部に沿って延びている。翼５３の外側端部は、突出部５５に接続されており、各突出部５５は各翼５３に沿って傾斜している。このような突出部５５は、羽根車５の裏側に液体の旋回流を形成し、昇圧された液体から羽根車５に加わるスラスト力を低減させることができる。さらに、側板５２よりも面積の小さい主板５１は、羽根車５の吸込側と吐出側との圧力差に起因するスラスト力の低減にも寄与する。

図３は、図１に示すポンプ装置の運転中における液体の流れを説明する図である。電動機１によって回転軸３が回転されると、回転軸３とともに複数の羽根車５が回転する。液体は、吸い込み口１０を通ってポンプケーシング７内に吸い込まれる。液体は、２つの流れに分岐される。一方の流れは、液体流路４０を通って第１開口４１に向かい、さらに第１開口４１を通ってインペラーケーシング１４内の羽根車５に吸い込まれる。液体は、回転する複数の羽根車５によって昇圧され、吐き出し口１１を通ってポンプケーシング７から吐き出される。

他方の流れは、第２開口４５を通って電動機１に向かう。第２開口４５を通過した液体は、通孔３３ａを通過し、ステータケーシング２１およびモータロータ１７の表面に接触しながら流れる。より具体的には、液体は、ステータケーシング２１と回転軸３との間の隙間、およびステータケーシング２１とモータロータ１７との間の隙間を流れる。さらに、液体は通孔３２ａを通過して、インペラーケーシング１４内に流入する。インペラーケーシング１４に流入した液体は、羽根車５に吸い込まれる。液体は、回転する複数の羽根車５によって昇圧され、吐き出し口１１を通ってポンプケーシング７から吐き出される。このように、液体は、電動機１の外側と電動機１の内側を流れた後に合流し、その後羽根車５によって昇圧される。

上述のように、電動機１および回転軸３の全体は、ポンプケーシング７内に位置している。回転軸３の上端および下端の両方は、ポンプケーシング７内の流路内に位置しており、ポンプ装置の運転中は、回転軸３の上端および下端の両方は、液体に接触している。このような構成は、回転軸３とポンプケーシング７との隙間を封止することを必要としない。したがって、軸封装置であるメカニカルシールは設けられていない。本実施形態のポンプ装置は、メカニカルシールなどの軸封装置を備えていないので、メンテナンスの頻度を低くすることができる。さらに、メカニカルシールを用いない本実施形態のポンプ装置は、液体を漏洩させずに羽根車５を高速で回転させることができ、高揚程を達成することができる。

本実施形態のポンプ装置は、立形ポンプ装置であり、吐き出し口１１は、ポンプケーシング７の上部に接続されている。このような構成によれば、液体に気泡が含まれる場合であっても、気泡は、液体とともに、ポンプケーシング７内を上昇し、吐き出し口１１を通ってポンプケーシング７から放出される。すなわち、吐き出し口１１がポンプケーシング７の上部に配置された構成は、気泡がポンプケーシング７の上部に留まることを防止し、すべり軸受２４のドライ運転に起因する過剰な摩耗を防止することができる。

ポンプケーシング７は水密構造を有しており、吸い込み口１０および吐き出し口１１以外にポンプケーシング７の内部と外部とを連通する隙間および開口を有していない。したがって、吸い込み口１０から流入した液体は、ポンプケーシング７の内部全体を満たし、ポンプケーシング７からの液体の漏洩を許容することなく、吐き出し口１１から吐き出される。ポンプケーシング７の内部を満たす液体は、電動機１に接触する。電動機１の熱は液体に伝わり、結果として電動機１が冷却される。したがって、電動機１を冷却するための空冷ファンなどの冷却装置は不要である。一般に、空冷ファンは、大きな風切り音を発生し、騒音源になりうる。本実施形態では、空冷ファンは不要であるので、静音運転が達成できる。特に、本実施形態によれば、吸い込み口１０から流入した液体のすべては、電動機１の内側および外側を流れ、電動機１を冷却することができる。

図４は、ポンプ装置の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１乃至図３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図４に示す実施形態では、電動機１は、モータロータ１７およびモータステータ１８が回転軸３の半径方向に並ぶラジアル型電動機である。

モータロータ１７とモータステータ１８との間には、回転軸３の半径方向に隙間が存在する。図４に示すポンプ装置の運転中、液体はモータロータ１７とモータステータ１８との間の隙間を通って流れる。このような液体の流れは、電動機１を冷却することができる。液体の他の流れは、図３を参照して説明した液体の流れと同じであるので、その重複する説明を省略する。

図５は、ポンプ装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１乃至図３を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図５に示す実施形態では、電動機１は、羽根車５の上方に位置している。吸い込み口１０、羽根車５、電動機１、および吐き出し口１１は、回転軸３に沿って吸い込み口１０、羽根車５、電動機１、および吐き出し口１１の順に並んでいる。本実施形態では、モータロータ１７はモータステータ１８の上方に位置しているが、一実施形態では、モータロータ１７はモータステータ１８の下方に位置してもよい。さらに、一実施形態では、２つのモータロータ１７が、軸方向においてモータステータ１８の両側に配置されてもよい（すなわち、モータステータ１８の上方および下方に配置されてもよい）。

インペラーケーシング１４の下端（吸込側端部）は、ポンプケーシング７の底部に固定されている。電動機１を支持する支持台４３は、インペラーケーシング１４の上端（吐出側端部）に固定されている。支持台４３はインペラーケーシング１４に支持されている。

図６は、図５に示すポンプ装置の運転中における液体の流れを説明する図である。電動機１によって回転軸３が回転されると、回転軸３とともに複数の羽根車５が回転する。液体は、吸い込み口１０を通ってポンプケーシング７内に吸い込まれる。液体は、第１開口４１を通ってインペラーケーシング１４内の羽根車５に吸い込まれる。液体は、回転する複数の羽根車５によって昇圧される。

複数の羽根車５によって昇圧された液体は、２つの流れに分岐される。一方の流れは、第２開口４５を通って液体流路４０に流入する。液体は、液体流路４０を流れ、吐き出し口１１を通ってポンプケーシング７から吐き出される。

他方の流れは、電動機１に向かう。すなわち、昇圧された液体は、通孔３３ａを通過し、ステータケーシング２１およびモータロータ１７の表面に接触しながら流れる。より具体的には、液体は、ステータケーシング２１と回転軸３との間の隙間、およびステータケーシング２１とモータロータ１７との間の隙間を流れる。さらに、液体は通孔３２ａを通過して、吐き出し口１１を通ってポンプケーシング７から吐き出される。このように、液体は、電動機１の外側と電動機１の内側を流れた後に合流する。

図７は、ポンプ装置の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図５および図６を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図７に示す実施形態では、電動機１は、回転軸３の半径方向に沿って並ぶモータロータ１７およびモータステータ１８を備えたラジアル型電動機である。

モータロータ１７とモータステータ１８との間には、回転軸３の半径方向に隙間が存在する。図７に示すポンプ装置の運転中、液体はモータロータ１７とステータケーシング２１との間の隙間を通って流れる。液体の他の流れは、図６を参照して説明した液体の流れと同じであるので、その重複する説明を省略する。

図１乃至図７を参照して説明した実施形態では、吐き出し口１１は上方を向いているが、吐き出し口１１の配置は、吐き出し口１１がポンプケーシング７の上部に接続されている限りにおいて、上記実施形態に限定されない。例えば、図８（ａ）乃至図８（ｃ）に示すように、吐き出し口１１は横を向いてもよい。立形ポンプ装置の上から見たときの、吸い込み口１０に対する吐き出し口１１の角度は、任意に設定することができる。

さらに、図９に示すように、吸い込み口１０は下方を向き、吐き出し口１１は上方を向き、吸い込み口１０と吐き出し口１１が一直線上に並んでもよい。吸い込み口１０と吐き出し口１１は、反対方向を向いている。このようなポンプ装置は、インラインポンプ装置と呼ばれる。図９に示すインライン型の立形ポンプ装置は、吸い込み口１０と吐き出し口１１を、配管にそれぞれ接続するだけで、設置が完了し、設置床にポンプ装置を固定する必要がないという利点がある。

図１乃至図９を参照して説明したポンプ装置は、回転軸が水平に延びる横形ポンプ装置としても使用することができる。例えば、図１０は、インライン型の横形ポンプ装置を示す側面図である。立形ポンプ装置と同様に、横形ポンプ装置の場合でも、メカニカルシールなどの軸封機構が不要であり、かつ電動機を液体により冷却することができる。

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 電動機（キャンドモータ）
３ 回転軸
５ 羽根車
７ ポンプケーシング
１０ 吸い込み口
１１ 吐き出し口
１４ インペラーケーシング
１５ 円筒流路
１７ モータロータ
１７Ａ 永久磁石
１７Ｂ ハウジング
１８ モータステータ
１８Ａ ステータコア
１８Ｂ コイル
２１ ステータケーシング
２４，２５，２６ 軸受
３１，３２，３３ 軸受ホルダ
３２ａ，３３ａ 通孔
４０ 液体流路
４１ 第１開口
４３ 支持台
４５ 第２開口
５１ 主板
５２ 側板
５３ 翼
５５ 突出部

Claims (5)

1. 液体を移送するためのポンプ装置であって、
   水密構造を有する電動機と、
   前記電動機に連結された回転軸と、
   前記回転軸に固定された羽根車と、
   前記電動機、前記回転軸、および前記羽根車を内部に収容するポンプケーシングと、
   前記ポンプケーシングに接続された吸い込み口および吐き出し口を備え、
   前記電動機および前記羽根車は、前記吸い込み口と前記吐き出し口の間に位置している、ポンプ装置。
2. 前記ポンプケーシングは、前記電動機を囲む液体流路を前記ポンプケーシングの内部に形成している、請求項１に記載のポンプ装置。
3. 前記回転軸は鉛直方向に延びており、
   前記吐き出し口は、前記回転軸よりも高い位置にある、請求項１または２に記載のポンプ装置。
4. 前記吸い込み口と前記吐き出し口は、一直線上に並んでいる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のポンプ装置。
5. 前記羽根車は、
   主板と、
   側板と、
   前記主板と前記側板との間に配列された複数の翼と、
   前記主板の外周縁から径方向外側に突出する複数の突出部を有しており、
   前記主板の直径は、前記側板の直径よりも小さい、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のポンプ装置。

Images