JP3819945B2 - 竪型プランジャーポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は各種産業用プラントおよびその他の用途に使用される竪型プランジャーポンプ、特に減速歯車機構を内蔵した竪型プランジャーポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
竪型プランジャーポンプと駆動用電動機を組み合わせてポンプユニットを構成する際は、図１０ないし図１２に示すように、共通台板１上にプランジャーポンプ２と減速歯車装置３と電動機４を一列に配置し、更に、プランジャーポンプ２と減速歯車装置３の間および減速歯車装置３と電動機４の間に低速カップリング５および高速カップリング６を設けて各機器の駆動軸を相互に連結している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のポンプユニットによると、隣り合う機器の間に低速カップリング５および高速カップリング６が介在するので、ポンプユニットの全長が長大になり、また、図１２に示すように、減速歯車装置３は大歯車７と小歯車８の各回転軸線９，１０を水平面内に配置しているので、ポンプユニットの幅寸法も大きくなり、その結果、ポンプユニットの据付面積が著しく大きくなるという問題点があった。
【０００４】
本発明は前記の問題点に鑑み、竪型プランジャーポンプの内部に減速歯車機構を組み込むことによって、ポンプユニットの据付面積を大幅に縮小することを主な目的とし、それ以外にもクランク軸ベアリングの寿命を延長し得る等の構造上および運転上の利点を有する竪型プランジャーポンプを提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明では次の手段を構成した。
請求項１に係る発明は、クランク機構とクロスヘッドを内蔵したフレームの上部に吸入弁と吐出弁を組み込んだ弁筺を配置し、前記クロスヘッドに連結したサイドロッドを介してプランジャーを昇降駆動し、前記プランジャーの下降行程中に前記弁筺を通して高圧水を吐出するようにした竪型プランジャーポンプにおいて、後端側に歯車室を一体に形成し前記歯車室の前壁にクランク軸の後部クランク軸ベアリングを固定したフレームと、前記減速歯車機構は相互に噛合し且つそれぞれの回転軸線を鉛直面内に配置した外歯の大歯車と、前記外歯の大歯車の上に外歯の小歯車とを有し、前記大歯車は前記歯車室内に突出したクランク軸後端部に取り付けられ、前記小歯車はその芯棒の両端部が歯車室の前壁と後壁に回転自在に支承されていることを特徴とする竪型プランジャーポンプである。
請求項２に係る発明は、前記歯車室の後壁の背面側に多数の冷却用フィンが突設されている請求項１に記載の竪型プランジャーポンプである。
【０００６】
【作用】
（１）減速歯車機構をプランジャーポンプの内部に組み込んだので、減速歯車機構自体の全長が短縮されるほか、低速カップリングが不要になる。従って、ポンプユニットの全長が従来のものに比べて大幅に短縮される。
（２）減速歯車機構を構成する大歯車と小歯車の回転軸線を鉛直面内に配置し、外歯の大歯車の上に外歯の小歯車を配置したので、プランジャーポンプと電動機の各回転軸線も鉛直面内に配列されることになり、ポンプユニットの幅寸法が従来のものに比べて大幅に短縮される。
【０００７】
（３）前記（１），（２）項の結果、ポンプユニットの据付面積が大幅に縮小する（従来の据付面積の約半分で済む）。
（４）プランジャーが下降行程にあるとき、すなわち高圧水を吐出している際、クランク軸より上方のフレーム部分は、圧縮荷重を受けるが、この圧縮荷重は減速歯車機構を構成する大歯車と小歯車が噛合した際のラジアル方向の荷重によって相殺され、その分だけ荷重が軽減される。従って、クランク軸ベアリングの上半部に作用する軸受荷重が減少し、クランク軸ベアリングの寿命が延長される。
【０００８】
（５）大歯車をクランク軸の後端部に取り付けたので、大歯車のフライホイール効果によってポンプのトルク変動が緩和される。従って、滑らかな回転が得られると共に、ポンプの振動および騒音が減少する。
【０００９】
（６）質量の大きい大歯車をクランク軸の後端部に取り付けたので、ポンプ運転中、大歯車のジャイロ効果によってポンプの縦方向の振動を軽減し、安定した運転が得られる。
【００１０】
（７）ポンプ負荷の急激なオンロード又はアンロードに対しても大歯車のフライホイール効果により、駆動用電動機に作用するショックロードを緩和することができる。
【００１１】
（８）請求項２によると、電動機の冷却風を利用して歯車室を空気冷却するので、従来の液冷方式に比べて関連機器の保守が容易になるほか、エネルギーの節約を図ることができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。図１ないし図６は、本発明の１実施例である３連の竪型プランジャーポンプ２１を示すもので、クランク機構とクロスヘッドを内蔵したフレーム２２の後端側に歯車室２３が設けられている。
【００１３】
歯車室２３は前後方向に偏平で、フレーム２２と一体に形成されており、この歯車室２３の内部に大歯車２４と小歯車２５からなる減速歯車機構が収容されている。大歯車２４は、歯車室２３の内部に突出したクランク軸後端部２７に嵌合によって取り付けられており、この大歯車２４の最上部に小歯車２５が噛合している。
図３に示すように、小歯車２５の回転軸線２８は、大歯車２４の回転軸線２９と同一鉛直面内になるように前後部の軸受３０，３１を介して水平に支持されており、前記軸受３０，３１は歯車室の前壁３３および後壁３４にそれぞれ固定されている。
また、大歯車は外歯であり、この外歯の大歯車の上に外歯の小歯車が配置されている。
【００１４】
小歯車２５の芯棒３５は歯車室の後壁３４を貫通して後方に延びており、この芯棒３５の先端部は、図７ないし図８に示すように、高速カップリング３６を介して電動機３７の出力軸に連結されており、この電動機３７はプランジャーポンプ２１と共に共通台板３９上に配置されている。
【００１５】
なお、歯車室の後壁３４の背面側には、図３に示すように、多数の冷却用フィン４０が歯車室の後壁３４と一体に突設されており、電動機３７の冷却用ファン４２（図７参照）が発生した冷却風６５が電動機３７の内部を冷却したのち、矢印に示すように、冷却用フィン４０につき当たり、このフィン４０を介して歯車室２３を冷却するようになっている。
【００１６】
図１に示すように、この３連の竪型プランジャーポンプ２１は、フレーム２２の後端側に前記の減速歯車機構を組み込んだ以外は、従来のものと構造上の相違はないが、主要部の構造について簡単に説明する。竪型プランジャーポンプ２１の主要部は、クランク機構４３および３個のクロスヘッド４４，４４，４４を内蔵したフレーム２２と、このフレーム２２の上部に固定した３個の弁筺４５，４５，４５と、各クロスヘッド４４に連結した２本１組のサイドロッド４６，４６と、このサイドロッド４６，４６を介して昇降駆動される３本のプランジャー４７，４７，４７等によって構成されており、各サイドロッド４６，４６，４６…は弁筺４５に設けた貫通孔（図示せず）を通って上方に延びている。
【００１７】
クランク機構４３は丸棒から切削によって３個のピン４８，４８，４８を形成したクランク軸４９と、各ピン４８に対応するクロスヘッドピン５０（図２参照）に連結する３本の連接棒５１，５１，５１等によって構成されており、クランク軸４９の両端部を支持する前後部のクランク軸ベアリング５２，５３はそれぞれフレームの前壁５４と歯車室の前壁３３に固定されている。
【００１８】
なお、クランク軸のピン４８，４８，４８の中心は図４に示すように、クランク軸の回転軸線５５を中心として円周方向に１２０度の間隔をおいて等間隔で配置されている。従って、ポンプを構成する可動部の往復質量および回転質量に基因する不平衡慣性力は垂直方向および水平方向共にゼロであり、不平衡慣性偶力Ｍが主として垂直方向に発生する（この実施例における不平衡慣性偶力Ｍの垂直方向の成分は３１７キログラムメートルであり、水平方向の成分は７３キログラムメートルである）。
【００１９】
歯車室の前壁３３は、従来のフレームの後壁に相当するが、本発明では後部クランク軸ベアリング５３と小歯車の前部軸受３０を支持しており、この軸受５３，３０を介して各歯車２４，２５に作用する推力Ｔ，Ｔ（図６参照）を受け止める構造になっているので、従来のものに比べて強固に構成されている。
【００２０】
各弁筺４５は、中空部を有する直方体状のブロック５６と、この中空部の両端を密閉する蓋５７，５７と、前記中空部の内部に設けた吸入弁５８および吐出弁５９等によって構成されており、プランジャー４７が上昇行程にあるとき、共通の吸入流路６０から各吸入弁５８を通って弁室６２内に吸水し、プランジャー４７が下降行程にあるときに、弁室６２から各吐出弁５９を通って共通の吐出流路６３に高圧水を吐出するようになっている。
【００２１】
次に、この実施例のポンプの作動について説明する。図６に示すように、ポンプ運転中、プランジャー４７が下降行程にあって、高圧水を吐出しているとき、クランク軸４９より上のフレーム部分は圧縮荷重Ａを受ける。これは弁室６２内に発生した高圧水が弁筺４５を下方に押圧すると共に、クランク軸４９が前、後部クランク軸ベアリング５２，５３の上半部を介してフレーム２２を上方に押圧するからである。
【００２２】
一方、減速歯車機構を構成する大歯車２４と小歯車２５が噛合すると、図５に示すように、歯の接触点６４に作用する接触圧力Ｂの接線方向の成分Ｃは動力伝達荷重となって大歯車２４を駆動し、また、半径方向の成分Ｄはラジアル荷重となって大歯車２４を下方に押圧し、クランク軸４９を下方に押し下げると共にＤの反力Ｄ′は小歯車の軸受３０，３１を介してフレーム２２を上方に押圧する。従って、後部クランク軸ベアリング５３の上半部に作用する軸受荷重が減少し、その結果、後部クランク軸ベアリング５３の寿命が延長される。
【００２３】
実験の結果によると、減速歯車機構を内蔵しない従来のプランジャーポンプにおけるフレームの圧縮荷重は後部クランク軸ベアリング５３の近傍で約６０５０キログラムであったが、この実施例によると圧縮荷重は約５２７０キログラムに低下しており、著しい改善が認められた。
【００２４】
ポンプ運転中、大歯車２４はフライホイールの作用を果たすのでトルク変動が減少し、その結果、速度変動率が向上する。
【００２５】
実験の結果によると、減速歯車機構を内蔵しない従来のプランジャーポンプにおける１回転中の速度変動率は約２０分の１であったが、この実施例によると速度変動率は約８０分の１となっており、著しい改善が認められた。
【００２６】
ポンプ運転中、プランジャーポンプは先に段落番号００１８で述べたように、可動部が発生する不平衡慣性偶力Ｍ（図６参照）によってほぼ鉛直に近い平面内で曲げ変形を繰り返しており、ポンプ全体がほぼ垂直方向に振動している。
【００２７】
しかし、前記の振動は大歯車２４のジャイロ効果によって軽減される。すなわち大歯車２４は前記偶力Ｍがひきおこす曲げ変形に追従して、図６に示すように、後部クランク軸ベアリング５３を支点としてほぼ垂直方向に揺動している。いま、大歯車２４が上方から下方に揺動する際の或る時点における大歯車２４の角運動量ベクトルをＬ、前記の時点から微小時間ｔ経過したのちの大歯車２４の角運動量ベクトルをＬ′とすると、周知のように式（１），（２）で示されるジャイロモーメントＮ（Ｎはベクトル）が大歯車に作用する。
【００２８】
Ｌ＝Ｌ′−Ｌ 式（２）
そして、このジャイロモーメントＮは、Ｌと反対の方向を向いており、大歯車２４がほぼ水平に近い平面内を揺動するように大歯車２４の姿勢を変化させる。
【００２９】
また、大歯車２４が下方から上方に揺動する際は、前記Ｎと等大で反対方向のジャイロモーメントＮ′（図示せず）が発生し、このジャイロモーメントＮ′はＮと同様に大歯車２４がほぼ水平に近い平面内を反対方向に揺動するように大歯車２４の姿勢を変化させる。
【００３０】
前記大歯車２４の姿勢の変化は、大歯車のほぼ垂直方向の揺動運動の一部がほぼ水平方向の揺動運動に変換されることを意味しており、この現象のため、プランジャーポンプの振動が弱められる。
【００３１】
実験の結果によると、減速歯車機構を有しない従来のポンプの縦振動の振幅は約３０ミクロンであったが、この実施例によると、振幅は約１３ミクロンとなっており、著しい改善が認められた。
【００３２】
ポンプ運転中、電動機３７の内部を冷却したのち、電動機３７の前面から吹き出した冷却風６５は、図７に示すように歯車室２３の背面側に突き当たり、冷却用フィン４０を介して歯車室の後壁３４を効果的に空気冷却する。従って、歯車室２３の内部に充満している潤滑油のミストおよび飛沫は歯車室の後壁３４に接触して冷却される。従来の水冷方式の代わりに空冷方式を採用するので、保守が容易になり、省エネルギーを図ることができる。
【００３３】
なお、本発明は前記の実施例にのみ限定されるものではなく、例えば、３連のプランジャーポンプの代わりに、２連又は４連以上のプランジャーポンプに減速歯車機構を内蔵させるようにしてもよいこと等、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明は次の優れた効果を発揮する。
（１）減速歯車機構をプランジャーポンプの内部に組み込み、更に減速歯車機構を構成する外歯の大歯車と、この外歯の大歯車の上に外歯の小歯車が配置され、これらの回転軸線を鉛直面内に配置したので、ポンプユニットの据付面積を大幅に縮小することができる。
（２）大歯車と小歯車が噛合した際のラジアル方向の荷重が、フレームに作用する圧縮荷重を軽減するので、後部クランク軸ベアリングの寿命を延長することができる。
【００３５】
大歯車をクランク軸の後端部に取り付けたので、大歯車のフライホイール効果によってポンプのトルク変動が緩和される。従って滑らかな回転が得られると共に、ポンプの振動および騒音が減少する。
【００３６】
質量の大きい大歯車をクランク軸の後端部に取り付けたので、ポンプ運転中、大歯車のジャイロ効果によってポンプの振動が軽減し、安定した運転を行うことができる。
【００３７】
ポンプ負荷の急激なオンロード又はアンロードに対しても大歯車のフライホイール効果により電動機に作用するショックロードを緩和することができる。
【００３８】
請求項２によると、電動機の冷却風を利用して歯車室を空気冷却するので、従来の液冷方式に比べて関連機器の保守が容易になり、エネルギーを節約することができる。
【００３９】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例である３連の竪型プランジャーポンプの一部切断した側面図である。
【図２】 図１に示す３連の竪型プランジャーポンプの縦断面した正面図である。
【図３】 図１におけるIII−III線の正面図である。
【図４】 図１に示すプランジャーポンプのクランク配置の説明図である。
【図５】 歯車機構におけるラジアル荷重の説明図である。
【図６】 図１に示すプランジャーポンプの作用を説明する図である。
【図７】 図１に示すプランジャーポンプと駆動用電動機を組み合わせたポンプユニットの側面図である。
【図８】 図７におけるＶIII−ＶIII線の平面図である。
【図９】 図７におけるIＸ−IＸ線の矢視図である。
【図１０】 従来のポンプユニットの側面図である。
【図１１】 図１０におけるＸI−ＸI線の平面図である。
【図１２】 図１０におけるＸII−ＸII線の断面した正面図である。
【符号の説明】
２２ フレーム
２３ 歯車室
２４ 大歯車
２５ 小歯車
２７ クランク軸後端部
３３ 歯車室の前壁
３４ 歯車室の後壁
４０ 冷却用フィン
４３ クランク機構
４４ クロスヘッド
４５ 弁筺
４６ サイドロッド
４７ プランジャー
４９ クランク軸
５２ 前部クランク軸ベアリング
５３ 後部クランク軸ベアリング
５８ 吸入弁
５９ 吐出弁

Claims (2)

1. クランク機構とクロスヘッドを内蔵したフレームの上部に吸入弁と吐出弁を組み込んだ弁筺を配置し、前記クロスヘッドに連結したサイドロッドを介してプランジャーを昇降駆動し、前記プランジャーの下降行程中に前記弁筺を通して高圧水を吐出するようにした竪型プランジャーポンプにおいて、
   後端側に歯車室を一体に形成し前記歯車室の前壁にクランク軸の後部クランク軸ベアリングを固定したフレームと、
   前記歯車室の内部に収容した減速歯車機構とを備え、
   前記減速歯車機構は相互に噛合し且つそれぞれの回転軸線を鉛直面内に配置した外歯の大歯車と、前記外歯の大歯車の上に外歯の小歯車とを有し、
   前記大歯車は前記歯車室内に突出したクランク軸後端部に取り付けられており、前記小歯車はその芯棒の両端部が歯車室の前壁と後壁に回転自在に支承されていることを特徴とする竪型プランジャーポンプ。
2. 歯車室の後壁の背面側に多数の冷却用フィンが突設されている請求項１に記載の竪型プランジャーポンプ。