JP2022509349A - 渦流ポンプ - Google Patents

Abstract

ポンプ回転子はハブ、バックプレート及びハブから延長し、バックプレート上に配置された複数のブレードを含む。複数のブレードのそれぞれは、ハブの回転軸に実質的に平行な外面、ハブに隣接した第１端部及びハブから遠距離にある第２端部を備え、平面から第１端部までの高さは平面から第２端部までの高さより小さい。複数のブレードは同期化された流れの中央柱を発生させるように構成される。

Description

本発明は概して渦流ポンプに関する。より具体的には、本発明は同期化された渦流を利用してポンピング性能を向上させる回転子を含む渦流ポンプに関する。

従来のポンプは多様な液体、材料及びスラリー（即ち、液体に浮遊する固体）をポンピングするように設計されている。従来のポンプの一つのタイプは遠心ポンプである。遠心ポンプで流体またはスラリーは、ケーシングを通って軸方向に入り、インペラブレードで捕捉され、ケーシングのディフューザー部分を通って接線方向及び半径方向に外側へ回転される。スラリーをポンピングする時には、インペラの摩耗によって固体材料がインペラに直接接触することを最小化することが重要である。

ポンプ回転子からポンプ流入口に同期化された流れの中央柱を形成し、ポンプ流入口からポンプ放出口への低圧逆渦巻流を生成する新しいポンプ設計にすることで、ポンプ特性が改善され、摩耗が最小化されることが発見された。新しいポンプ設計は、ポンプ密封付近に負圧領域も発生させる。負圧はポンプがゼロ（または０に近い）の漏出を達成することができるようにする。

公知の技術状態に鑑みて、本発明の一態様は、ハブ、バックプレート及びハブから延長し、バックプレート上に配置された複数のブレードを含むポンプ回転子を提供することである。バックプレートは平面である。複数のブレードのそれぞれは、ハブの回転軸に実質的に平行な外面、ハブに隣接した第１端部及びハブから遠距離にある第２端部を備える。平面から第１端部までの高さは、平面から第２端部までの高さより小さい。複数のブレードは同期化された流れの中央柱を発生させるように構成される。

本発明の他の態様は、ハウジング及び回転子を含むポンプを提供することである。ハウジングは流入口及び放出口を備える。回転子はハブ、バックプレート及びハブから延長し、バックプレート上に配置された複数のブレードを含む。複数のブレードのそれぞれは、ハブの回転軸に実質的に平行な外面、ハブに隣接した第１端部及びハブから遠距離にある第２端部を有する。平面から第１端部までの高さは、平面から第２端部までの高さより小さい。複数のブレードは同期化された流れの中央柱を発生させるように構成される。

以下、本開示内容の一部を形成する添付図面を参照する：
本発明の一実施例によるポンプの上部斜視図である。 図１のポンプの断面の上部斜視図である。 図１のポンプの断面の底面斜視図である。 図１のポンプの断面の立面図である。 図１のポンプの断面の底面図である。 図１のポンプのための回転子の底面斜視図である。 図６の回転子の上部斜視図である。 図６の回転子の底面図である。 図６の回転子の側面図である。 図６の回転子の平面図である。 図１０の線１１－１１に沿って切り取った側断面図である。 ポンプを通ったスラリーの流れを示す図１のポンプの断面図である。

以下、図面を参照して選択された実施例について説明する。実施例に対する以下の説明はただ例示のために提供されるもので、添付された特許請求範囲及びその同等物によって定義されるためであり、当業者にとって本開示内容から本発明を制限しようとするのではないことは明白である。

まず、第１実施例によるポンプが図示された図１、２及び１２を参照する。ポンプは、駆動モーター、ボリュートまたはハウジング及び回転子を含む。回転子はハウジング内に配置されて、流体、液体、材料及びスラリーがハウジングに進入し、回転子によってポンピングされることができるようにする。回転子は流体、液体、材料及びスラリーを流入口から放出口にポンピングするために回転子を駆動したり回転させるように構成された駆動モーター（図１２）に連結される。このモーターは適切な回転速度で回転子を駆動することができる本技術分野で公知の任意の適切なモーターであってもよい。

図１～図５に示すように、ハウジングは曲線形で、流入口及び放出口または排出口を含む。ハウジングの内面は、通常円筒状で、回転子の直径よりも大きい直径を有する。流入口はハウジングの底部にある回転子の半径方向軸に沿って配置され、これは回転子の回転によって流体または材料がハウジング内に吸い込まれるか巻き込まれることができるようにする。放出口は流入口から９０度オフセットされて（即ち、回転子に対する接線方向に）配置され、これは流体または材料がハウジングの外にポンピングされるようにすることができる。

図６～図１１に示すように、回転子はバックプレート、円錐状の中心部（ハブ）及び複数のブレードを含む。回転子は任意の適切な方式で鋳造、モールディング、鍛造、機械加工または成形されることができる。従って、バックプレート、円錐状の中心部及び複数のブレードは統合された一体型部材に形成されることができる。回転子は合金、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、亜鉛、青銅、ゴム、プラスチックまたはその他の適切な材料または複数の材料の組み合わせであってもよい。また、回転子は任意の適切な材料または設計であってもよいことに留意されたい。従って、回転子が統合された一体型部材であることが好ましいが、回転子は複数のステップまたは任意の適切な方式で組み立てられた複数の部品によって形成されてもよい。

一実施例において、バックプレートは第１面（第１平面を定義）、第２面（第２平面を定義）及び外周縁を有するほぼ円形プレートである。第１または上部面はハウジングの内部と対向し、それから延長する突出部またはシャフトを有する。突出部は駆動モーターからの駆動軸に連結されるか連結可能である。第２面はその上に配置された複数のブレードを有する。図８に示すように、バックプレートは回転子の中心から回転子とほぼ同じ長さで延長し、従って、回転子ブレードの全長をカバーする。言い換えれば、複数のブレードは半径方向直径を定義し、バックプレートはバックプレートの半径方向直径と同一またはほぼ同じ直径を有する。しかし、バックプレートの半径方向直径は粒子の大きさまたは任意の他のパラメーターによって複数のブレードによって定義された半径方向直径の０．３～１．０であり得る点に留意されたい。このような構成（即ち、「フルサイズ」バックプレート）は、流体が回転子から流れ出ることを防止して、流体を回転子の排出口に向かって円周方向に押して放出することを容易にする。また、バックプレートは回転子体積内部の流体分布を保持することにより再循環を減少させることに効果を発揮し、回転子とハウジングの上部面との間の漏出及びエネルギー損失を防止する。バックプレートは、静圧損失を減少させることにも効果を発揮する、これは回転子によって発生するより高い圧力差及び水頭（ｈｅａｄ）にも効果を発揮する。

図６～図１１に示すように、円錐状の中心部は回転子の中心に配置された円錐状で、回転子をモーターシャフトに固定させることを容易にする。円錐はバックプレートの第２面上に配置され、突出部の反対側である。円錐状の中心部は頂点及びベースを有する。ベースはバックプレートに隣接し、円錐状の頂点に向かって漸次に狭くなる。図８に示すように、ベースは約１０．６インチの半径を有し、ほぼ円形である。従って、ベースは半径方向にバックプレートの約５０％を延長する。図１１に示すように、ハブの円錐状の頂点は約４０度の角度αを形成する。しかしながら、円錐状の中心部のベースの大きさ及び円錐状の頂点によって形成された角度αは任意の適切または所望の大きさまたは角度であってもよい。

円錐状の中心部は、流体が流入口からハウジングの内部で円滑に流れるようにし、放出口または回転子の端部に向かって続いて放出口に向かう層流移動を容易にする吸引を発生させるように油圧的に促す。このような層流の誘導は渦巻流の減少及びハウジング内部の再循環を促し、ポンプの効率性を増加させる。円錐状の中心部の大きさ（長さ、直径及び角度）は粒子の大きさによって変わることがあり、層流が放出口に向かって保持されることができる限り、粒子のより良い隙間を許容する。円錐状の中心部は、また吸引から回転子の流入口までより優れた渦巻流を生成するようにするともに、最大効率点より高い流量での乱流を防止し、これはポンプが設計最高効率点の１４０％の流量をポンピングすることを可能にする。円錐の大きさは電力消費を制御するように減少または増加されることができる。

図６～図１１に示すように、複数のブレードは円錐状の中心部から延長し、バックプレートの第１面上に配置される。このような実施例で、複数のブレードは５つのブレードを含むが、複数のブレードは適切な渦巻流を形成する任意の適切な数のブレードであってもよい。各ブレードは第１面、第２面、端部及び底面を含む。各ブレードは円錐状の中心部から半径方向の外側に向かって、そしてバックプレートから長手方向に沿って延長する。また、円錐状の中心部が傾斜面を有する円錐であるので、各ブレードは、例えば図９を参照して円錐状の中心部の傾斜した輪郭に従う。

第１長手方向面と第２長手方向面は互いに対向する。第１長手方向面と第２長手方向面は、一般的に、回転子の長手方向軸に平行する長手方向に延長し、半径方向に互いに狭くなりながら距離を隔てている。即ち、図８に示すように、第１長手方向面と第２長手方向面は円錐状の中心部に隣接した方は約１．５インチ離れて配置され、バックプレートの円周縁に隣接した方は２インチ離れて配置される。従って、理解されるように、第１長手方向面と第２長手方向面は半径方向へ約０．５インチ分離される。第１長手方向面と第２長手方向面が任意の所望の方式で分離されることができるか、または、必要によって平行することができる点に留意されたい。また、回転子の大きさが変更されると、第１長手方向面と第２長手方向面の間隔の変化がそれによって変更されることができる。即ち、実施例で、第１長手方向面と第２長手方向面の間隔の変化は３３％である。言い換えれば、バックプレートの周縁で第１長手方向面と第２長手方向面の間の間隔が円錐状の中心部に隣接した第１長手方向面と第２長手方向面の間の間隔も３３％大きい。

図６、７、９及び１１に示すように、各ブレードはバックプレートの周縁から円錐状の中心部まで上側に向かって漸次に狭くなる。各ブレードの底面は第１端部から第２端部まで拡張する。第１端部は円錐状の中心部に隣接し、第２端部は外面に隣接する。第２端部は、好ましくは、バックプレートの第２面から測定されるとき第１端部より高い。例えば、一実施例で、第１端部はバックプレートから約３．１７インチであり、第２端部はバックプレートから５インチである。しかし、第１端部及び第２端部はバックプレートから任意の適切な距離であり得ることに留意されたい。また、回転子の大きさが変更されると、第１長手方向端部及び第２長手方向端部の高さ変化がそれによって変更されることができる。即ち、この実施例で第１端部と第２端部の高さの差は約５８％である。言い換えれば、第２端部の高さが第１端部の高さよりも５８％高い。

ブレードの外面は少なくとも図３、４、６、７、９及び１１から見ることができる。外面は、好ましくは矩形であり、回転子の回転軸と実質的に平行する。具体的には、図９及び図１１に示すように、外面はバックプレートと直角（９０度）を形成する。また、図４に示すように、外面は、ハウジングの内面とほぼ平行に延長し、それから所定の距離だけ離隔される。このような構成は、粒子が外面とハウジングの内面との間に配置されることができるようにする。

追加的に、図１１に示すように、底面は外面と７５度の角度ａ及びバックプレートの第２面に平行な線と約１５度の角度ｂを形成する。このようなテーパリング（ｔａｐｅｒｉｎｇ）は第１端部の高さより大きく、第２端部の高さより小さいバックプレートの第２面からの高さを有する円錐状の中心部を形成する。従って、一実施例で、円錐状の中心部は４．２７インチの高さを有する。従って、理解できるように、円錐状の中心部の高さは第２端部の高さの約８３％で、第１端部の高さよりも約３８％大きい。しかし、円錐状の中心部の高さは任意の適切な高さであってもよい。

従って、理解できるように、各ブレードの高さは回転子の吸引側で、回転子の中心から外径またはバックプレートの周縁に向かって増加する。このような構造は、向上された流体の吸入のために渦巻流を改善させ、より大きい粒径のための隙間を生成する。外径での回転子ブレードの高さは流体を放出口に直接押し出すことができるように放出口の高さまたは放出口の直径の近くに保持される。このような構成は、漏出、再循環及び圧力損失を減少させる。テーパリングブレードの高さもトルクの減少に寄与し、従って中心から外径まで均一なブレードの高さを有することに比べて消費電力を減少させる。外部ブレードの高さも、必要に応じて、寸法を同様に保持しながらハウジングの排出口の直径に比例して変更されることもできる。

図４に示すように、各ブレードはハウジングから所定の距離だけ離隔される。一般的に、ブレードとハウジングとの間の隙間は材料内にあると推定される最大粒径の追加１０～１５％に保持される。これは回転子が回転子内のブレードの摩耗を減少しながら相当な大きさの粒子を通過させることができるようにする。

５つのブレードを有する回転子は渦巻流の形成及び回転子ブレードの間の再循環を減少させるための好ましいブレードの数である。ブレードの数が少なすぎると、乱流を発生する可能性があり、より高い流量が必要な圧力差を生成することができない可能性もある。ブレードの数が多すぎると、隙間が減少してより大きいサイズの粒子がポンプを通過できなくなる可能性があり、理想的な流量のために許容される流体の容積を減少させる可能性がある。しかし、回転子は適切な量及び大きさの粒子を有する一部流れがハウジングを通過させる適切な数のブレードを有することができる。

本明細書に記載された実施例は、従来のシステムに比べてより緩やかな流線によってより低い吸引圧力及び後続するキャビテーションを顕著に良好に処理することができるので、有効吸引水頭（ＮＰＳＨ；Ｎｅｔ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｓｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｄ）を減少させる。これはポンプの吸引性能を向上し、キャビテーション象及びポンプの損傷可能性を減少する。

理解できるように、本明細書に記載されたポンプの実施例は従来のポンプの遠心ポンプ原理に依存しない。従来のポンプの低公差インペラの代わりに、本明細書で記述されたポンプは、竜巻のような流体またはスラリーの渦流を生成するために特定の幾何学的形態の凹型回転子を用いる。即ち、渦流ポンプは竜巻の原理で動作する。渦流ポンプ及び回転子によって形成された竜巻はポンプ回転子からポンプ流入口への非常に強力で同期化された流れの中央柱を発生してポンプ流入口からポンプ放出口への低圧逆渦巻流を生成する。このような動作もポンプ密封付近に負圧領域を形成する。負圧はポンプの漏出をゼロにすることができるようにする。

本明細書に説明されたさらなるオープン回転子の設計は吸入口に進入する全ての物質が問題なく放出口を通過することができるようにする高い公差を有する。これは相当な量の固形物及び破片がポンプに詰まることなく通過することを意味する。一実施例において、ポンプは高粘度及び高比重を有するスラリー及び／または重量を基準として最大７０％の固体をポンピングすることができる。

凹型回転子の構成は、また研磨材を重要なポンプ構成要素から遠く離れるように保持する渦巻流を生成する。このような構造はポンプの寿命を延長し、ポンプの摩耗を減少する。

回転子とハウジングとの間の公差は遠心ポンプで顕著に大きい物体の通過を許容する。例えば、２インチ～１０インチの渦流ポンプで公差範囲は１～９インチである。

本明細書に記載された実施例は、低保守、最小限のダウンタイム、低所有費用及び鋼鉄高圧パイプラインが必要でないという点のような追加長所を有することができる。

渦流ポンプは固体粒子と液体の撹拌混合を誘導する吸引管の中心に沿って同期化された渦流柱のような液体のトルネード動作原理に基づくので、固体粒子が上方へハウジングまたはボリュート内に移動して所望に放出するための圧力差を発生させるのに充分に強い吸入が生成される。このような渦巻流は回転子による圧力差によって形成され、ハウジングまたはボリュート及び吸引管の乱流パターンによって強化される。渦巻流は流体の慣性力を増加させる固体粒子の存在によって強化される。渦巻流の形成は吸引を発生させる浮遊固体粒子に依存する。従来の渦流ポンプと違って、回転子は滑ることなくポンプを通じて流体を直接駆動する。渦流ポンプは渦巻流を生成して吸引を誘導するために粒子の動き及びこれら固体粒子から誘導された後流を利用する。そこで、効率は馬力の側面で従来の渦流ポンプよりも７－１０％優れる。渦流ポンプによって発生された渦巻流は混合物の継続的な動きを確保し、これは優れた非凝集能力及び重量の最大７０％に達する非常に高い濃度の固形物及び非常に高い粘度の流体をポンピングすることができる力を提供する。

駆動モーターは本技術分野において周知の従来の構成要素である。
駆動モーターは本技術分野でよく知られているので、この構造は本明細書で詳細に説明または例示しない。むしろ、当業者にとって本開示内容から構成要素が本発明を実施するために用いられることのできる任意の類型の構造物及び／またはプログラミングであり得ることは自明である。

［用語の一般的な説明］
本発明の範囲を理解するにおいて、本明細書で用いられた用語「含む」及びその派生語は言及された特徴、要素、構成要素、グループ、整数及び／またはステップの存在を明示する開放型用語に意図され、他の明示されない特徴、要素、構成要素、グループ、整数及び／またはステップの存在を排除しない。また、上記の内容は「包む」、「有する」及びその派生語のような同様の意味を有する単語にも適用される。また、用語「部分」、「一部」または「要素」が単数型として用いられる場合、単一または複数の二重意味を有することができる。また、前記実施例を説明するために、本明細書で用いられるように、次の方向用語「後方」、「上端」及び「下端」だけでなく、何れの他の同様の方向用語は渦流ポンプのこのような方向を指す。従って、本発明を記述するために用いられたこれらの用語は渦流ポンプのみに関連して解釈すべきである。

デバイスの構成要素、セクションまたは部分を説明するように本明細書で用いられた「構成される」という用語は所望の機能を実行するように構造化及び／またはプログラムされたハードウェア及び／またはソフトウェアを含む。

本明細書で用いられた「実質的」、「約」及び「ほぼ」のような程度の用語は最終結果が明らかに変更されないように修正された用語の合理的な偏差の量を意味する。

本発明を説明するために選択された実施例のみ選択されたが、添付された特許請求範囲に定義されているような本発明の範囲を逸脱しない範囲内で多様な変更及び修正が施されることができることは当業者にとって明らかである。例えば、多様な構成要素の大きさ、形態、位置または配向は必要によって及び／または所望通りに変更されることができる。

直接連結されたり互いに接触することで図示された構成要素はその間に配置された中間構造を有することができる。一要素の機能は２つによって実行されることができ、その反対の場合も可能である。一実施例の構造及び機能は他の実施例で採択されることができる。全ての利点が特定実施例に同時に存在する必要はない。従来技術から固有の全ての特徴が単独または他の特徴と組み合わせて、このような特徴によって具現された構造的及び／または機能的概念を含んで、本出願人によって別途の他の発明に対する説明として見なされるべきである。従って、本発明による実施例の前述の説明は特許請求範囲及びその同等物によって定義されたように本発明を制限する目的ではなく、例示の目的で提供される。

Claims (20)

1. ポンプ回転子であって、
   回転軸を有するハブと、
   平面を有するバックプレートと、
   前記ハブから延長し、前記バックプレート上に配置された複数のブレードと、を含み、
   前記複数のブレードのそれぞれは、ハブの回転軸に実質的に平行な外面、ハブに隣接した第１端部及びハブから遠距離にある第２端部を備え、前記平面から前記第１端部までの高さは前記平面から前記第２端部までの高さより小さく、
   前記複数のブレードは同期化された流れの中央柱（ｃｅｎｔｒａｌ ｃｏｌｕｍｎ ｏｆ ｆｌｏｗ）を発生させるように構成される、ポンプ回転子。
2. 前記バックプレートは前記複数のブレードのそれぞれの全長にわたって延長する、ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ回転子。
3. 前記複数のブレードは半径方向直径を定義し、前記バックプレートは前記複数のブレードによって定義される半径方向直径の０．３～１．０の直径を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ回転子。
4. 前記ハブは円錐状である、ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ回転子。
5. 前記ハブの円錐状頂点は約４０度の角度を定義する、ことを特徴とする請求項４に記載のポンプ回転子。
6. 前記ハブの中心部分は、前記第１端部の高さより大きく、前記第２端部の高さより小さい前記平面からの高さを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ回転子。
7. 前記複数のブレードのそれぞれは前記第１端部と前記第２端部との間の底面を含み、前記底面と前記外面は約７５度の角度を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ回転子。
8. 前記第１端部は第１幅を有し、前記第２端部は第２幅を有し、前記第１幅が前記第２幅より小さい、ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ回転子。
9. 前記外面は矩形である、ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ回転子。
10. 前記ポンプ回転子はハウジング内に配置されるように構成され、前記底面は前記ハウジングの内面から離隔されるように構成される、ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ回転子。
11. ポンプであって、
    流入口及び放出口を備えるハウジングと、
    ハブ、バックプレート及び前記ハブから延長し、前記バックプレート上に配置された複数のブレードを含む回転子であって、前記複数のブレードのそれぞれは、ハブの回転軸に実質的に平行な外面、ハブに隣接した第１端部及びハブから遠距離にある第２端部を備え、バックプレートの平面から前記第１端部までの高さは前記平面から前記第２端部までの高さより小さく、前記複数のブレードは同期化された流れの中央柱を発生させるように構成されることを含む回転子と、を含む、ポンプ。
12. 前記バックプレートは前記回転子と前記ハウジングとの間の流体の漏出を防止するように構成されて配置される、ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ。
13. 前記ハブは円錐状であり、前記放出口に向かう層流の移動ができるように構成される、ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ。
14. 前記ハブの円錐状の頂点は約４０度の角度を定義する、ことを特徴とする請求項１３に記載のポンプ。
15. 前記第２端部の高さは放出口の高さと実質的に同様である、ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ。
16. 前記複数のブレードは半径方向直径を定義し、前記バックプレートは前記複数のブレードによって定義される半径方向直径の０．３～１．０の直径を有する、ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ。
17. 前記ハブの中心部分は、前記第１端部の高さより大きく、前記第２端部の高さより小さい前記平面からの高さを有する、ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ。
18. 前記複数のブレードのそれぞれは前記第１端部と前記第２端部との間の底面を含み、前記底面と前記外面は約７５度の角度を形成する、ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ。
19. 前記第１端部は第１幅を有し、前記第２端部は第２幅を有し、前記第１幅が前記第２幅より小さい、ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ。
20. 前記外面は矩形である、ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ。
    

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