JP2024026952A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転しているときの羽根車の径方向の振動を低減させ、昇圧された液体の吸込み側への戻りを低減させることができるポンプ装置を提供する。【解決手段】ポンプ装置は、羽根車２の吸込み側に配置された滑り軸受５０を備える。滑り軸受５０は、羽根車２に固定された回転側軸受要素５１と、羽根車ケーシング１５に固定された静止側軸受要素５２を備え、回転側軸受要素５１は回転側対向面５７を有し、静止側軸受要素５２は回転側対向面５７に対向する静止側対向面５８を有する。回転側対向面５７および静止側対向面５８は、回転軸５の中心軸線ＣＬに対して傾斜している。【選択図】図２

Description

本発明は、液体を圧送するためのポンプ装置に関する。

液体を圧送するためのポンプ装置は、一般に、羽根車を有するポンプと、羽根車を回転させるための電動機を備えている。羽根車は回転軸の端部に固定されており、羽根車ケーシング内に収容される。回転軸は、軸受によって回転可能に支持されており、羽根車と回転軸は一体に回転することで、液体を昇圧する。昇圧された液体は、吐出し口を通って羽根車ケーシングから排出される。昇圧された液体の一部は、羽根車のライナーリングと羽根車ケーシングとの間の隙間を通って吸込み側に戻される。

特開平４－４１９９８号公報 特開平７－１０３１７９号公報

ポンプ効率の観点から、吸込み側に戻される液体の量はできるだけ少ないことが望ましい。しかしながら、ポンプは、羽根車が回転軸の端部に固定された片持ち構造を有するため、羽根車はその径方向に振動しやすい。振動している羽根車のライナーリングが羽根車ケーシングと接触することを避けるために、羽根車のライナーリングと羽根車ケーシングとの間の隙間は、ある程度大きくしなければならない。昇圧された液体の一部は、この隙間を通って吸込み側に戻されるため、ポンプ効率は必然的に低下してしまう。

そこで、本発明は、回転しているときの羽根車の径方向の振動を低減させ、昇圧された液体の吸込み側への戻りを低減させることができるポンプ装置を提供する。

一態様では、羽根車ケーシングと、前記羽根車ケーシング内に配置された羽根車と、前記羽根車が固定された回転軸と、前記回転軸および前記羽根車を回転させるための電動機と、前記羽根車の吸込み側に配置された滑り軸受を備え、前記滑り軸受は、前記羽根車に固定された回転側軸受要素と、前記羽根車ケーシングに固定された静止側軸受要素を備え、前記回転側軸受要素は回転側対向面を有し、前記静止側軸受要素は前記回転側対向面に対向する静止側対向面を有し、前記回転側対向面および前記静止側対向面は、前記回転軸の中心軸線に対して傾斜している、ポンプ装置が提供される。

一態様では、前記回転側対向面または前記静止側対向面にはスパイラル溝が形成されている。
一態様では、前記回転側対向面および前記静止側対向面はテーパー形状を有している。
一態様では、前記回転側対向面および前記静止側対向面は球面形状を有している。
一態様では、前記羽根車は、前記回転軸に対して軸方向に相対的に移動可能である。

本発明によれば、羽根車の吸込み側に配置された滑り軸受は、回転軸の中心軸線に対して傾斜した回転側対向面および静止側対向面を有している。このような構成を持つ滑り軸受は、羽根車を径方向および軸方向の両方において支持することができる。したがって、羽根車の径方向の振動が低減される。また、ポンプ装置の運転中は、羽根車に作用する軸推力は、滑り軸受によって受けられるので、滑り軸受の回転側対向面と静止側対向面との間の隙間は、従来使用されてきたライナーリングの隙間よりもはるかに小さくなる。結果として、羽根車の吐出し側から吸込み側に戻る液体の量は大幅に低減され、ポンプ効率を向上させることができる。

液体を移送するためのポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。 図１に示す滑り軸受の拡大断面図である。 滑り軸受の静止側対向面の一実施形態を示す図である。 滑り軸受の他の実施形態を示す拡大断面図である。 滑り軸受のさらに他の実施形態を示す拡大断面図である。 滑り軸受のさらに他の実施形態を示す拡大断面図である。

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、液体を移送するためのポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。液体の種類は特に限定されないが、一例では、本実施形態のポンプ装置は、液化ガスを移送する用途に使用される。液化ガスの具体例としては、液体水素、液化天然ガス、液体酸素、液体窒素、液体アンモニアなどが挙げられる。液化ガスは、０℃よりも低い沸点を有する液体である。したがって、本実施形態のポンプ装置は、常温より低い温度の液体を取り扱うポンプ装置に使用可能である。特に、本実施形態のポンプ装置は、ロケットエンジンに極低温の液体酸素を供給するための高速回転ポンプ装置として好適に使用される。

図１に示すように、ポンプ装置は、羽根車２を有するポンプ１と、羽根車２を支持する回転軸５と、回転軸５および羽根車２を回転させるための電動機７と、電動機７の両側に配置されたポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２を備えている。ポンプ１は、羽根車２が内部に収容される羽根車ケーシング１５を備えている。羽根車ケーシング１５は、液体の吸込み口１６および吐出し口（図示せず）を有している。羽根車２の液体入口２ａは、吸込み口１６を向いている。

電動機７は、回転軸５に固定されたモータロータ２１と、モータロータ２１を囲むモータステータ２２と、モータステータ２２を保持するモータハウジング２３を備えている。モータロータ２１およびモータステータ２２は、モータハウジング２３内に収容されている。モータステータ２２は、モータロータ２１を囲むように配置された複数のコイル２６と、これらコイル２６を保持するステータコア２７を有する。モータステータ２２は、モータハウジング２３の内面に面接触している。

ポンプ側ブラケット１１は、ポンプ１と電動機７との間に挟まれており、羽根車ケーシング１５とモータハウジング２３の両方に接触している。反ポンプ側ブラケット１２は、電動機７を挟んでポンプ側ブラケット１１とは反対側に位置している。ポンプ装置は、回転軸５を回転可能に支持する軸受３１，３２を備えている。軸受３１，３２は、ポンプ側ブラケット１１および反ポンプ側ブラケット１２にそれぞれ支持されている。軸受３１，３２は、玉軸受、コロ軸受などのラジアル軸受である。

ポンプ装置は、羽根車２の吸込み側に配置された滑り軸受５０をさらに備えている。この滑り軸受５０は、いわゆる動圧軸受である。滑り軸受５０は、回転体である羽根車２と、静止部材である羽根車ケーシング１５の両方に支持されている。滑り軸受５０は、羽根車２をその径方向および軸方向の両方において支持するように構成されている。

ポンプ装置は、羽根車２の裏側に配置された軸封装置４０を備えている。軸封装置４０の具体例としては、メカニカルシールが挙げられる。軸封装置４０の回転側リングは羽根車２に固定され、軸封装置４０の固定側リングは、羽根車ケーシング１５に固定されている。

ポンプ装置の動作は次の通りである。電動機７が回転軸５および羽根車２を回転させると、液体は吸込み口１６を通って羽根車ケーシング１５内に流入し、さらに液体入口２ａを通って羽根車２内に流入する。液体は、羽根車２の回転に伴って昇圧され、吐出し口（図示せず）から吐き出される。

図２は、図１に示す滑り軸受５０の拡大断面図である。図２に示すように、滑り軸受５０は、羽根車２に固定された回転側軸受要素５１と、羽根車ケーシング１５に固定された静止側軸受要素５２を有する。回転側軸受要素５１および静止側軸受要素５２は環状であり、羽根車２の液体入口２ａを囲むように配置されている。回転側軸受要素５１は羽根車２の吸込み側に固定されており、羽根車２と一体に回転する。静止側軸受要素５２は、回転側軸受要素５１の吸込み側に位置しており、回転しない。

回転側軸受要素５１は回転側対向面５７を有し、静止側軸受要素５２は回転側対向面５７に対向する静止側対向面５８を有している。回転側対向面５７および静止側対向面５８は環状である。回転側対向面５７および静止側対向面５８は、回転軸５の中心軸線ＣＬに対して傾斜している。より具体的には、回転側対向面５７および静止側対向面５８は、テーパー形状を有している。

羽根車２は、回転軸５に対して軸方向に相対的に移動可能である。より具体的には、回転軸５はスプライン軸部６１を有しており、羽根車２はスプライン軸部６１に支持されている。スプライン軸部６１は、羽根車２が回転軸５の軸方向に移動することを許容し、その一方で羽根車２が回転軸５に対して相対的に回転することを許容しないように構成されている。したがって、羽根車２は回転軸５と一体に回転可能であるが、回転軸５に対して相対的に軸方向に移動可能である。

回転軸５は、その先端にねじ部６３を有しており、羽根止めナット６５がねじ部６３に螺合されている。羽根車２の端面と羽根止めナット６５との間にはシール部材６７が配置されている。シール部材６７は、Ｏリングなどの環状の弾性部材である。羽根止めナット６５を締め付けると、シール部材６７は羽根車２の端面と羽根止めナット６５との間に挟まれる。このシール部材６７は、回転軸５の外周面と羽根車２の内周面との間の隙間への液体の侵入を防ぐために設けられている。

図３は、滑り軸受５０の静止側対向面５８の一実施形態を示す図である。図３に示すように、静止側軸受要素５２は、その静止側対向面５８に形成されたスパイラル溝７０を有している。静止側軸受要素５２が図３の矢印Ａで示す方向に回転すると、液体の動圧が回転側対向面５７と静止側対向面５８との間に発生する。したがって、羽根車２が回転しているとき、静止側軸受要素５２と静止側軸受要素５２との間には微小な隙間が形成される。一実施形態では、回転側軸受要素５１は、その回転側対向面５７に形成されたスパイラル溝を有してもよい。

図２に戻り、回転側対向面５７および静止側対向面５８はテーパー形状を有している。より具体的には、回転側対向面５７は円錐台形状を有し、静止側対向面５８は逆円錐台形状を有している。このような形状の回転側対向面５７および静止側対向面５８を有する滑り軸受５０は、羽根車２の軸方向の荷重のみならず、羽根車２の径方向の荷重を受けることができる。したがって、滑り軸受５０は、回転する羽根車２の径方向の振動を低減することができる。

ポンプ装置の運転中、すなわち羽根車２の回転中、昇圧された液体から羽根車２に軸推力が加わり、羽根車２は吸込み側に押される。したがって、回転側軸受要素５１は静止側軸受要素５２に向かって押される。上述したように、回転側対向面５７と静止側対向面５８との間には液体の動圧が発生しているので、回転側軸受要素５１は静止側軸受要素５２と非接触を保ちつつ、回転側軸受要素５１と静止側軸受要素５２との隙間を非常に小さくすることができる。一例では、回転側軸受要素５１と静止側軸受要素５２との隙間は、数μｍ～数十μｍである。したがって、昇圧された液体が、この隙間を通って吸込み側に戻る量を著しく低減することができる。結果として、ポンプ効率を向上させることができる。羽根車２の径方向の振動を著しく低減させることができるので、本実施形態のポンプ装置は、数万～数十万ｍｉｎ^－１の速度で回転する高速回転ポンプ装置に好適に使用できる。

加えて、本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
・羽根車２に加わる軸推力は滑り軸受５０によって受けられるので、図１に示す軸受３１，３２に加わる負荷が低減される。結果として、軸受３１，３２が破損しにくくなり、ポンプ装置の信頼性が向上する。
・滑り軸受５０は、羽根車２の径方向の振動のみならず、回転軸５の軸方向の振動も低減できるので、軸封装置４０の摩耗を低減させることができる。結果として、軸封装置４０の寿命を延ばすことができる。
・羽根車２および回転軸５の振動が低減されるので、ポンプ装置の運転時の騒音を低減できる。
・羽根車２は、回転軸５に対して軸方向に相対的に移動可能であるので、羽根車２に加わる軸推力のほとんどは滑り軸受５０によって受けられ、軸受３１，３２にはあまり加わらない。結果として、軸受３１，３２の寿命を延ばすことができる。

図４は、滑り軸受５０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および動作は、図２および図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に示す実施形態は、回転側対向面５７および静止側対向面５８はテーパー形状を有している点で、図２および図３を参照して説明した実施形態と同じであるが、回転側対向面５７は逆円錐台形状を有し、静止側対向面５８は円錐台形状を有している点で異なっている。図４に示す滑り軸受５０も、羽根車２の軸方向の荷重のみならず、羽根車２の径方向の荷重を受けることができる。したがって、滑り軸受５０は、回転する羽根車２の径方向の振動を低減することができる。

図５は、滑り軸受５０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および動作は、図２および図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に示す実施形態は、回転側対向面５７および静止側対向面５８は回転軸５の軸心ＣＬに垂直な方向に対して傾斜している点で、図２および図３を参照して説明した実施形態と同じであるが、回転側対向面５７および静止側対向面５８は球面形状を有している点で異なっている。より具体的には、回転側対向面５７は凸状球面形状を有し、静止側対向面５８は凹状球面形状を有している。図５に示す滑り軸受５０も、羽根車２の軸方向の荷重のみならず、羽根車２の径方向の荷重を受けることができる。したがって、滑り軸受５０は、回転する羽根車２の径方向の振動を低減することができる。

一実施形態では、図６に示すように、回転側対向面５７は凹状球面形状を有し、静止側対向面５８は凸状球面形状を有してもよい。図６に示す滑り軸受５０も、羽根車２の軸方向の荷重のみならず、羽根車２の径方向の荷重を受けることができる。したがって、滑り軸受５０は、回転する羽根車２の径方向の振動を低減することができる。

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 ポンプ
２ 羽根車
５ 回転軸
７ 電動機
１１ ポンプ側ブラケット
１２ 反ポンプ側ブラケット
１５ 羽根車ケーシング
１６ 吸込み口
２１ モータロータ
２２ モータステータ
２３ モータハウジング
２６ コイル
２７ ステータコア
３１，３２ 軸受
４０ 軸封装置
５０ 滑り軸受
５１ 回転側軸受要素
５２ 静止側軸受要素
５７ 回転側対向面
５８ 静止側対向面
６１ スプライン軸部
６３ ねじ部
６５ 羽根止めナット
６７ シール部材
７０ スパイラル溝

Claims (5)

1. 羽根車ケーシングと、
   前記羽根車ケーシング内に配置された羽根車と、
   前記羽根車が固定された回転軸と、
   前記回転軸および前記羽根車を回転させるための電動機と、
   前記羽根車の吸込み側に配置された滑り軸受を備え、
   前記滑り軸受は、前記羽根車に固定された回転側軸受要素と、前記羽根車ケーシングに固定された静止側軸受要素を備え、
   前記回転側軸受要素は回転側対向面を有し、前記静止側軸受要素は前記回転側対向面に対向する静止側対向面を有し、
   前記回転側対向面および前記静止側対向面は、前記回転軸の中心軸線に対して傾斜している、ポンプ装置。
2. 前記回転側対向面または前記静止側対向面にはスパイラル溝が形成されている、請求項１に記載のポンプ装置。
3. 前記回転側対向面および前記静止側対向面はテーパー形状を有している、請求項１に記載のポンプ装置。
4. 前記回転側対向面および前記静止側対向面は球面形状を有している、請求項１に記載のポンプ装置。
5. 前記羽根車は、前記回転軸に対して軸方向に相対的に移動可能である、請求項１に記載のポンプ装置。

Images