JP3419759B2 - 浸漬されたローターを有する回転ポンプ - Google Patents

浸漬されたローターを有する回転ポンプ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は浸漬されたローターを有する回転
ポンプに関し、より詳細には化学的プロセスから入来す
る炭化水素のような液体を取り込み、配送するために用
いられる回転ポンプに関する。
【0002】従来技術で知られている浸漬されたロータ
ーの回転ポンプは通常電気モーターにより回転されるポ
ンプホイールからなる。電気モーターは容器内に設けら
れたステーター要素又は“ステーター”と、ポンプホイ
ールに直接契合されたローター要素又は“ローター”と
により形成される。ポンプにより取り込まれた液体の一
部分はローターが浸漬された冷却液として作用するよう
流用される。モーターのステーターは漏れ防止壁により
該冷却液から保護される。
【0003】ローターの外壁を越えて流れる冷却液はロ
ーターの回転の反対向きのマスを形成するが、モーター
の磁性ギャップのちいさなサイズ(約1mm)のため
に、それは速度に関わらず就中ローターの径方向慣性力
をかなり増加する。この付加的な慣性力はR/εに比例
し(ここでRはローターの径でありεはギャップであ
る)、それは磁性軸受けのようなローターを保持し、案
内する手段の安定でロバストな制御を得るために非常に
有害である。
【0004】本発明は上記の欠点を克服するものであ
り、より詳細には浸漬されたローターの回転ポンプのロ
ーターを保持し案内する手段に適用される制御の質及び
安定性を改善する。
【0005】この目的のために、本発明は磁性ギャップ
全体を実質的に増加するように液体再循環溝を付加し、
それにより上記のローターの径方向慣性の減少を減少す
ることを提案する。
【0006】例えば、磁性ギャップが200mmの長さ
で1mmの幅である場合に、10mmの長さ(40mm
の全長を与える)で10mmの深さの4つの溝は上記現
象を1対2の割合で減少させる:
【0007】
【数1】 より詳細には、本発明は液体を取り込む回転ポンプを提
供し、該ポンプはポンプにより取り込まれた液体の一部
分に浸漬されたローターに固定されたポンプホイール
と、容器内に設けられたステーター要素と軸に関してロ
ーターを回転するためにローター上に設けられたロータ
ー要素とからなるモーターと、ローター用の保持及び案
内手段と、該液体からモーターのステーター要素を保護
する保護手段とからなり、該ポンプはローターの径方向
の変位中に、液体の該部分による慣性の影響を減少する
ためにローターが液体の該部分により覆われる外面に形
成された少なくとも一つの溝を有することを特徴とす
る。
【0008】ローターの外面上で液体の流れを容易にす
るために、溝はローターの輪郭全体にわたり形成され
る。輪郭(outline)は例えば回転の軸に実質的
に垂直である面に存在する。
【0009】従来技術の回転ポンプで最も普通に用いら
れてきた保持及び案内手段はポンプにより取り込まれた
液体により潤滑される平滑な機械的軸受けからなる。そ
の様な軸受けは特に液体の蒸発又はポンプ内のキャビテ
ーションの発生のような異常なことによりしばしば応力
を加えられる。故にそれらは一定期間毎に変更されなけ
ればならず、それにより、高レベルのコストの発生及び
ユーザーがポンプを開けることを要求する。
【0010】本発明によればローターは如何なる特殊な
メンテナンスも必要のない磁性軸受けにより保持され、
案内される。
【0011】本発明の第一の実施例では、該保持及び案
内手段は径方向平衡位置上にローターの径方向位置をサ
ーボ制御する円筒型の少なくとも一つの能動径方向磁性
軸受けと、軸方向平衡位置上にローターの軸方向位置を
サーボ制御する軸方向能動磁性軸受けとからなることを
特徴とする。該径方向能動磁性軸受けは自己検出軸受
け、即ちローターの径方向位置を検出するためにそれ自
体適切な軸受けであることを特徴とする。さもなければ
ローターの軸方向位置のサーボ制御のために、軸方向位
置検出器がローターの一端に設けられる。それにより軸
方向能動磁性軸受けは検出器により提供される位置情報
の関数としてローターの軸方向位置をサーボ制御する。
【0012】本発明の第二の実施例では、該保持及び案
内手段はそれぞれの平衡位置上でローターの径方向及び
軸方向位置の両方をサーボ制御する円錐型の能動型磁性
軸受けからなることを特徴とする。円錐形能動磁性軸受
けのそれぞれはローターの径方向位置を検出するために
適切である。ローターの軸方向位置はローターの一端に
設けられた軸方向位置検出器により検出される。
【0013】上記の実施例の両方で、自己検出磁性軸受
けの使用により、径方向軸受け用の異なる径方向位置検
出器と比べてポンプの製造コストを減少することが可能
である。
【0014】上記の円筒形又は円錐形径方向磁性軸受け
は同極(homopolar)又は異極(hetero
polar)であり得る。
【0015】典型的には保護手段はローターを覆う液体
の該部分がモーターのステーター要素が設けられた容器
内の空洞内に進入することを防ぐジャケットにより構成
されている。容器の該空洞はモーターのステーター要素
のローターを覆う液体の部分に対する保護を増強するた
めに圧力下で注入された物質(エラストマー、エポキシ
樹脂、砂)で満たされうる。
【0016】穴がポンプホイールから離れたローターの
端からポンプホイールに向かってローターを覆う液体の
該部分を除去するために回転の軸に沿ってローター内に
形成される。穴はローターの外面にわたる液体の循環を
最小化することを可能にし、それにより軸受け間及びモ
ーターにかかる軸方向負荷を制限する。
【0017】ポンプが通常危険な領域に見いだされる場
合に、電気的な接触での爆発を防止するための手段が設
けられなければならない。本発明では軸受け、即ち案内
手段用の電力供給及び制御回路を収容するために容器内
に防爆、漏れ防止された区画を有する。第一の防爆接続
箱は容器に固定され、該電子回路が主電源に電気的に接
続されることを可能にする。第二の防爆接続箱は容器に
固定され、モーターが主電源に接続されることを可能に
する。
【0018】好ましくは、ローターの保持及び案内手段
はモーターの反対側に配置された第一と第二の径方向能
動磁性軸受けからなり、液体再循環溝は液体の該部分に
よる慣性の影響を減少するためにモーターと第一と第二
の軸方向磁性軸受けとの間に位置するゾーン内のロータ
ーの外面に形成される。
【0019】本発明の他の利点、特徴は以下に図面を参
照した詳細な説明により与えられる特定の実施例により
明らかとなる。
【0020】図1を参照するに、本発明の第一の実施例
を構成するポンプPPは入り口オリフィス2を通り化学
物質又は炭化水素のような液体を取り込み、出口オリフ
ィス3を通して液体を配送するポンプホイール1からな
る。ポンプホイール1は固定容器5に関して長手軸40
について回転されるローター4に固定される。ローター
4は径方向磁性軸受け7、8及び軸方向磁性軸受け9、
10により容器5の内側で実質的に円筒形の封入体6に
接触せずに懸架される。
【0021】モーター11はローター磁気回路4の形
で、封入体6の内側のその外側周辺表面41にわたり配
置されるローター要素110と、容器5の内側、封入体
6の外側に設けられ、磁気回路110に対向するステー
ター要素111とからなる。ステーター要素111は強
磁性ラミネーションの堆積により形成されたコア112
と、それに関連する巻き線113を有する。コア112
を形成するラミネーションは典型的には配向されていな
い型のシリコン鉄合金から形成され、0.3mmから
0.5mmの範囲の厚さを有する。磁気回路110はリ
スかご型又はそれ自体がラミネートされた強磁性コアに
関して銅又はアルミニウムのような材料でできた磁性ギ
ャップの表面でかごとして形成される。
【0022】径方向磁性軸受け7、8な同一であり、モ
ーターの対向する端に配置される。各々は封入体6の内
側のローター4の表面41の外側に設けられた強磁性材
料の環状接極子(armature)70、80と、そ
れに対向する、封入体6の外側で容器5に固定された電
磁石71、81とからなる。電磁石71、81は巻き線
711、811を保持するU字型ヨーク710、810
で作られている。径方向磁性軸受け7、8は好ましくは
例えば本出願人の特許FR−B−2716700に記載
された型の自動位置検出する“自己検出”軸受けであ
る。これらの軸受けは軸40に関してローター4の軸方
向位置を検出し、安定な軸方向平衡位置に該位置をサー
ボ制御することが可能である。その様な自己検出軸受け
はそれに対する異なる位置検出器の使用を回避すること
によりポンプPPを製造するコストを削減することが可
能である。
【0023】“スラスト軸受け”として知られてる軸方
向磁性軸受け9、10はまたポンプホイール1に近接し
たローター4の第一の端42及び第一の端42から及び
ホイール1から離れたローター4の第二の端43の近傍
でそれぞれ封入体6の外側に配置される。従来の型の軸
方向位置検出器12はまたローター4の第二の端43に
設けられ、ローター4の軸方向位置を制御する電子制御
システムを介して軸方向磁性軸受け9、10に接続され
る。軸方向磁性軸受け9、10は検出器12により提供
された情報の関数として安定な軸方向平衡位置でロータ
ー4の軸方向位置をサーボ制御する。
【0024】好ましくはセラミックで作られた緊急用の
機械的軸受け13、14はローター4の2つの端42、
43のそれぞれの近傍に設けられる。これらの軸受けは
径方向磁性軸受け7、8及び/又は軸方向磁性軸受け
9、10が故障した場合に封入体6内でローター4を案
内し、保持するために用いられる。軸受け13、14は
比較的まれに用いられ、それらの状態の可能な劣化によ
りメンテナンスがポンプPPの寿命内でなされる必要が
ないようにする。
【0025】軸性軸受け7から10はポンプホイール1
から離れた、即ちローター4の第二の端43に隣接した
端で容器5に含まれる防爆、漏れ防止区画15に配置さ
れた電子的カード150、151により電気的に給電さ
れ、制御される。電子的カード150、151は能動磁
性軸受けの給電及びサーボ制御用に従来用いられてきた
型のカードである。第一のカード150は径方向磁性軸
受け7、8及び軸方向磁性軸受け9、10の巻き線71
1、811に給電するための電子給電回路を有する。第
二のカード151はそれ自体位置を検出する径方向軸受
け7、8によりローター4の径方向位置及び軸方向位置
検出器12により提供される情報の関数として動作する
軸方向磁性軸受け9,10によりローター4の軸方向位
置を制御するサーボ制御回路を有する。電子的カード1
50、151はEEX型の第一の防爆接続箱に接続さ
れ、それはそれ自体単相主電源に接続される。
【0026】モーター11の巻き線113は第二の防爆
接続箱17に接続され、EEX型と同様に、それは容器
5に固定され、それ自体三相主電源に接続される。
【0027】ポンプの能動磁性軸受けを制御する電子回
路を集積することはそれ自体ポンプを、そうでなければ
爆発の危険のない場所に配置する必要がある制御ユニッ
トに接続する長くて高価なケーブルの使用を回避するこ
とを可能にする。
【0028】図1を参照するに、ローター4、モーター
110の磁気回路、磁性軸受け70、80の接極子によ
り構成される組立体は実質的に円筒形の形状である。空
の空間18は該組立体と封入体6との間に画成される。
該組立体110−70−80の封入体6の壁60との間
の最少空間は典型的には1mmである。封入体6の壁6
0はジャケット61(図1では太線で示される)により
構成され、これは第一と第二のローターの端42と43
との間の軸40に実質的に平行に延在し、径方向磁性軸
受け7、8及びモーター11のそれぞれの磁性ギャップ
を通過することを特徴とする。0.3mmから0.5m
mの範囲にある厚さを有するジャケット61はステンレ
ス鋼、Hastelloy族の合金、又はチタンで作ら
れ、又は複合材料で作られ、腐食に耐久性の処理をなさ
れる。ジャケット61は径方向磁性軸受け7、8及びモ
ーター11に対応するゾーン、又は軸受け7、8に対応
するゾーンのみで磁性体である。ジャケット61はロー
ター4、磁気回路110、環状接極子70、80をモー
ター11のステーター要素111及び径方向磁性軸受け
7、8のステーター要素71、81が設けられる容器5
内の空洞19から分離する保護壁として提供される。上
記のステーター要素111、71、81は好ましくはジ
ャケット61と接触し、例えばそれに溶接される。
【0029】動作において、入り口オリフィス2を通し
てポンプホイール1により取り込まれた液体は上記のよ
うにポンプPPの出口オリフィス3を通して配送され
る。しかしながら、取り込まれた液体の一部分は冷却液
として供給されるように図1に矢印FLにより示された
路を辿ってホイール1の周辺から封入体の内側の空の空
間18に貫通する。この液体はローター要素110、7
0、80により覆われないローター4の外面の部分にわ
たるローター4の第一の端42から第二の端43へ、空
の空間18を通って流れ、上記のローター要素のそれぞ
れの外面114、700、800にわたる。ローター4
の第二の端43に到達すると、液体は軸40に沿ってロ
ーター4の中心に形成された穴44に沿って送られるこ
とにより第一の端42及びポンプホイール1を介して除
去される。
【0030】ローター4と、ローター要素110、7
0、80はこのように作業液体即ちポンプPPにより取
り込まれた液体に完全に浸漬される。腐食性のある作業
液体に対してローター要素110、70、80を保護す
るために、これらの要素はそれらの外面114、70
0、800に形成された金属又はセラミック保護層でそ
れぞれコートされる。容器5の空洞19はジャケット6
1により作業液体から保護される。空洞19は又圧力下
で注入された物質(エラストマー、樹脂、砂、等々)で
満たされ、これは容器5の外面を通して形成された適切
なオリフィス50及び空洞への開口を介して挿入され
る。高圧充填は空の空間18で循環する作業液体に対し
て径方向磁性軸受け7、8及びモーター11のステータ
ー要素71、81、111の保護を強化する。
【0031】空の空間18の作業液体はローター4の変
位に対向するマスを構成する。加えて、ローター4を構
成する組立体とローター要素110、60、80と封入
体6の壁60との間の小さな距離の故に、該液体は空の
空間18を通って迅速に動く。故に、大量のエネルギー
がローター4を回転するように保つためにモーター11
により供給される必要がある。更にまた磁性軸受け7、
8の磁性ギャップの液体の存在はその動作を妨げる。
【0032】本発明によれば、液体による慣性効果を最
小化するために、流体溝45、46はローター4の外面
41のある部分に設けられ、ここでそれらはローター要
素110、70、80により覆われない。溝45、46
は長手方向回転の軸40に垂直な横断面P1、P2にあ
り、好ましくは場合によっては径方向磁性軸受け7とモ
ーター11及びモーター11と径方向磁性軸受け8との
間に配置されるローター4のそれぞれの輪郭に沿って機
械加工される。これらの流体溝45、46は詰まらない
水たまりとして動作し、平面P1,P2の近傍で局部的
に液体の速度を減少することにより、これらの溝内の液
体が流れることを可能にし、それにより空の空間18の
液体の全体的な慣性を減少する。
【0033】例として、溝45、46は約1cmの幅
(軸40に平行な)及び深さ(面P1,P2に平行な)
を有する。
【0034】図2は図1の径方向磁性軸受け7の異なる
図が示され、この軸受けは径方向軸受け8と同一であ
る。軸受け7は円筒形であり、即ち、図1に示されるよ
うにローター4の円筒形と適合する円筒面により画成さ
れた磁気ギャップを有し、それは同極である。軸受け7
は4つの電磁石71を有し、これらは通常ローター4に
固定された環状の接極子70の周りに規則正しく配置さ
れ、それにより4つの極を形成する。各電磁石71はリ
ングの一部分の形のヨーク710からなり、固体の磁性
材料で作られ、ヨーク710に巻き線711が設けられ
る。この型の軸方向フラックス同極軸受けでは環状接極
子70がラミネートされていることは図示されるように
可能ではあるが、本質的ではない。
【0035】図1、2は同極型の径方向磁性軸受けを示
す。そうでなければ、異極型の、即ち径方向フラックス
を有する径方向磁性軸受けを用いることが又可能であ
る。故に、図3は図1の径方向磁性軸受け7、8の変形
実施例を示す。この変形例では、径方向磁性軸受け7
‘は異極円筒形型であり、ラミネートされた磁性材料7
1‘のステーター構造と、ローター4に固定された環状
接極子70‘とからなる。ステーター構造71‘はロー
ター4の軸40に向かって延在する環状接極子70‘の
周りに規則的に配置されたティース(teeth)71
0‘を有する。各ティース710‘は巻き線711‘を
担持する。環状接極子70‘はラミネートされ、例えば
ニッケルメッキにより金属で、又はセラミックをコーテ
ィングすることにより液体から保護された堆積されたラ
ミネーションで作られる。
【0036】図4は本発明の第二の実施例を構成するポ
ンプPPaを示す。ポンプPPaは図1に示されるポン
プPPと、円筒型の径方向磁性軸受け7、8がフラスト
コニカル(frustoconical)面により画成
される磁性ギャップを有する円錐型磁性軸受け7a,8
aにより置き換えられる点が本質的な違いである。これ
らの軸受け7a、8aはローター4aを径方向及び軸方
向の両方に中心化するために設けられる。故に、図1の
軸方向軸受け9、10はこの第二の実施例で省略され
る。
【0037】軸受け7a、8aは区画15a内の制御カ
ード151aの電子回路に共に関連し、ローター4aの
径方向位置を検出し、安定な径方向平衡位置に該点をサ
ーボ制御することが可能である。ローター4aを軸方向
に位置決めするために、円錐軸受け7a、8aは電子制
御カード151aへの軸方向位置検出器12aにより供
給される情報の関数としてサーボ制御される。
【0038】封入体6a、より詳細にはジャケット61
aはそのフラストコニカル形状に適合するように、それ
ぞれ円錐軸受け7a、8aに対応するその部品そしてフ
ラストコニカル部分610a,611aを有する。
【0039】図4の径方向磁性軸受け7a,8aは異極
型の軸受けとして示され、ラミネート化された環状接極
子70a、80aを有し、それらは図3の環状接極子7
0‘と同様に作られ、図3のステーター回路71‘と同
様に作られたステーター回路71a,81aを有する。
【0040】図4の円錐径方向磁性軸受け7a,8aは
そうでなければまた径方向フラックス同極型であり、図
1、2を参照して説明した同極円筒形径方向磁性軸受け
7、8に対して記載されたことと類似の技術を用いて作
られる。この場合に、軸受けの環状接極子はラミネート
される必要のない磁性材料で作られ、径方向円錐軸受け
のステーター回路は径方向フラックスを発生するために
(図3に示されるように)巻き線に適合された歯を付け
られたステーターラミネーションの堆積の代わりにジャ
ケット61の周りに配置された(図2と類似の方法で)
一組の軸方向フラックス電磁石からなる。
【0041】種々の変更及び付加は上記の実施例に提供
しうる。故に、例えば径方向磁性軸受けは自己検出軸受
けである必要はなく、電子制御回路151、151aに
位置情報を供給するために金属壁6又は6aを通して動
作し、径方向磁性軸受け(図5、6)のステーターの電
磁石71、71‘の間に介装される位置検出器21、2
1‘を有する軸受けでもよい。 [図面の簡単な説明]
【図1】本発明の第一の実施例を構成する回転ポンプの
原理を示す概略図である。
【図2】図1のラインII−IIに沿った同極軸方向磁性軸
受けの部分断面図である。
【図3】同様の軸方向部分断面図であるが、図2の軸方
向磁性軸受けの代替である異極軸方向磁性軸受けの一例
を示す。
【図4】本発明の第二の実施例を構成する回転ポンプの
原理を示す概略図である。
【図5】図2、3と類似の軸方向部分断面図であるが、
軸方向磁性軸受けのステーターに含まれる位置検出器の
使用を示す。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−159075(JP,A) 実開 昭64−4919(JP,U) 特公 平5−10021(JP,B2) 欧州特許出願公開346730(EP,A 1) 欧州特許出願公開612135(EP,A 1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F04D 7/00 - 7/08 F04D 13/06 F04D 29/00 - 29/04 F04D 29/58 F04C 13/00 H02K 5/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ポンプにより取り込まれた液体の一部分
    に浸漬されたローター(4)に固定されたポンプホイー
    ル(1)と、容器(5)内に設けられたステーター要素
    (111)と軸(40)に関してローター(4)を回転
    するためにローター(4)に設けられたローター要素
    (110)とからなるモーター(11)と、ローター用
    の保持及び案内手段(7−10,12)と、該液体から
    モーター(11)のステーター要素(111)を保護す
    る保護手段(61)とからなり、ローター(4)は液体
    の該部分により覆われる外面に形成された少なくとも一
    つの溝(45、46)を有する液体を取り込む回転ポン
    プ(PP)であって、 該ポンプはローターの保持及び案内手段はモーター(1
    1)の対向する端に配置された第一と第二の径方向能動
    磁性軸受け(7、8;7a、8a)からなり、液体再循
    環溝(45、46)はモーター(11)と第一と第二の
    軸方向磁性軸受け(7、8;7a、8a)それぞれとの
    間に位置するゾーン内のローター(4)の外面に形成さ
    れ、各液体再循環溝(45、46)はローター(4)の
    径方向の変位中に、液体の該部分による慣性の影響を減
    少するために、回転の軸(40)に実質的に垂直な面
    (P1、P2)にあるローター(4)の輪郭の周囲に形
    成されることを特徴とする回転ポンプ。
  2. 【請求項2】 該保持及び案内手段は径方向平衡位置上
    にローター(4)の径方向位置をサーボ制御する円筒型
    の少なくとも一つの能動径方向磁性軸受け(7、8)
    と、軸方向平衡位置上にローター(4)の軸方向位置を
    サーボ制御する軸方向能動磁性軸受け(9、10)とか
    らなることを特徴とする請求項1記載のポンプ。
  3. 【請求項3】 該径方向能動磁性軸受け(7、8)はロ
    ーター(4)の径方向位置を検出するためにそれ自体適
    切な軸受けであることを特徴とする請求項2記載のポン
    プ。
  4. 【請求項4】 該保持及び案内手段はそれぞれの平衡位
    置上でローター(4)の径方向及び軸方向位置の両方を
    サーボ制御する円錐型の能動型磁性軸受け(7a、8
    a)からなることを特徴とする請求項1記載ポンプ。
  5. 【請求項5】 該円錐形の能動磁性軸受け(7a、8
    a)はローター(4)の径方向位置を検出するためにそ
    れ自体適切な軸受けであることを特徴とする請求項4記
    載のポンプ。
  6. 【請求項6】 該保護手段はローター(4)を覆う液体
    の該部分がモーター(11)のステーター要素(11
    1)が設けられた容器(5)内の空洞(19)内に進入
    することを防ぐジャケット(61)により構成されてい
    る請求項1乃至5のうちいずれか1項記載のポンプ。
  7. 【請求項7】 穴(44)がポンプホイール(1)から
    離れたローターの端(42)からポンプホイール(1)
    に向かってローターを覆う液体の該部分を除去するため
    に回転の軸に沿ってローター(4)内に形成される請求
    項1乃至6のうちいずれか1項記載のポンプ。
  8. 【請求項8】 容器内に一体化され、好ましくは該案内
    手段(7−10)に給電し、それを制御する筐体電子回
    路(150、151)用に防爆、漏れ防止された区画
    (15)を有することを特徴とする請求項1乃至7のう
    ちいずれか1項記載のポンプ。
  9. 【請求項9】 容器(5)に固定され、該電子回路(1
    50、151)が主電源に電気的に接続されることを可
    能にする好ましくは防爆接続箱である接続箱(16)を
    有することを特徴とする請求項8記載のポンプ。
  10. 【請求項10】 容器(5)に固定され、モーター(1
    1)が主電源に接続されるための好ましくは防爆接続箱
    である接続箱(17)を有すること特徴とする請求項1
    乃至9のうちいずれか1項記載のポンプ。
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