JP3942579B2 - ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノンシール構造で液体中に軸受けのないポンプ装置、詳しくは、クローズド型のインペラの片面に固定された金属製円筒ロータを回転磁界発生装置で間接的に駆動することによってロータおよびインペラをインペラケーシング内で非接触状態に保持して回転させる機構を備えたポンプ装置に関する。

ノンシール構造で液体中に軸がなく、インペラを液体中に浮かせた状態で回転させる機構を有するポンプ装置については、従来、様々な種類のものが出願されている。これらのポンプ装置に発生する故障の原因としては、ロータとキャン（ロータと回転磁界発生装置とを隔てる隔壁）との接触に起因するものが代表的である。

このような故障は、ロータが回転磁界装置から受ける反発力によって防止することができると考えられた。また、竪型ポンプにおける同様の故障についても、インペラの上面および底面が受ける圧力を均衡させ且つインペラ底板に加わる反発流でインペラ底板とケーシングとの隙間を確保すれば防止できると考えられた。このような防止策を講ずることによって一定の効果はあったので、これらの反発力を増加させる手段について研究し、様々な改良を重ねたが、ロータとキャンとを完全に無接触、無摺動にはなし得なかった。

一方、ロータとキャンとの接触を回避するため、インペラの両側面にリング状磁石を取り付け、ポンプのケーシング内面における前記リング状磁石と対向する位置に同形のリング状磁石を同極が相対するように隙間をおいて取り付けたポンプ装置がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開平９−２６８９９４号公報（第２−５頁）

特許文献１に記載されたポンプ装置において、インペラの両側面と、ポンプケーシング内面に、同極が相対する状態にリング状磁石を取り付けたことにより、ロータとキャンとの接触、およびインペラとインペラケーシングとの接触を低減することはできたが、これらの接触を完全になくすには至っていない。このため、ロータとキャンとの間およびインペラとインペラケーシングとの間の接触、摺動に起因する故障をなくすことができないのが実状である。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ロータおよびインペラとこれらを包囲するケーシングとの間の接触、摺動に起因する故障が発生しないポンプ装置を提供することにある。

前述したように様々な研究を行った結果、インペラおよびロータの接触、摺動を完全になくすことができなかった原因は単に反発力不足によるものではなく、他の原因にあるとの結論に至った。このため、運転中の回転部分（インペラおよびロータ）の挙動を均衡させて安定させるため、図１に示すような構造のポンプ装置を試作して実験を行った。

図１において、インペラ１は両吸込方式とし、吸込口１５から吐出口１６に至る吸込流および吐出流の移動方向が矢線（→）で示されるようになるように設定し、ロータ９はインペラ１の左右両側に取り付け、これらのロータ９を駆動する回転磁界発生装置を構成する外磁石７，内磁石８も左右対称に配置した。また、外磁石７，内磁石８は、駆動モータ１３の両端に突出した出力軸１３ａにそれぞれ固定されたタイミングプーリ１１により２本のタイミングベルト１２を介して左右から同時に駆動するようにした。すなわち、インペラ１を中心として左右対称になるようにした。

しかしながら、このポンプ装置でも、インペラおよびロータの接触、摺動を完全になくすことはできなかった。したがって、これらの接触、摺動は、必ずしも回転部分を左右対称にしても解決し得るものではなく、その原因は他にあるとの判断に基づいてさらに研究を行った結果、本発明を成すに至ったものである。

本発明のポンプ装置は、クローズド型のインペラの駆動側面にその回転軸心と同軸上に固定された金属製の円筒状ロータを隔壁を隔てて配置された回転磁界発生装置で間接駆動してロータおよびインペラをケーシング内で非接触状態に保持して回転させる機構を備えた、片吸込・上方吐出・片側駆動の横置型のポンプ装置において、
前記インペラケーシング内の前記インペラよりも外周領域に、前記外周領域を外周側と内周側とに区画するため前記ケーシングの外壁の内側に前記インペラの回転軌跡と平行な円弧状の隔壁を設け、前記隔壁の片端部を前記インペラケーシングの上端部に開設された吐出口の内側開口に臨ませて配置し、前記隔壁の他端部を前記吐出口と対向する位置に配置することにより前記隔壁と前記外壁とによって円弧状の二重壁を形成し、
前記ケーシングにおける前記二重壁と対向する位置を円弧状の閉鎖壁とし、
前記隔壁の片端部および他端部と、前記閉鎖壁との間にそれぞれ前記インペラの外周領域と連通し、広さが略同じである吐出孔を開設して前記隔壁と前記外壁との間に吐出液通路を設けたことを特徴とする。

このような構成とすることにより、インペラの回転によってインペラケーシング内に吸い込まれて回転する液体は、円弧状の隔壁の片端部で外周側領域および内周側領域に分流され、それぞれの領域内を流動した後、隔壁の他端部で再び合流して吐出口から外部へ流出することとなる。これにより、ポンプケーシングの吐出口の内側開口に臨む位置における液圧と、ポンプケーシング内の吐出口と対向する位置における液圧とを殆ど同等とすることができる。このため、回転中のインペラが吐出口方向へ引き寄せられる現象が発生しなくなり、インペラを軸心上に安定保持して回転させることが可能となる。このため、ロータとキャンおよびインペラとインペラケーシングとの間の接触、摺動がなくなり、これらの接触、摺動に起因する故障を防止することができる。

ここで、インペラの駆動側面と反対側に位置する吸込側面に、ロータと反対側へ突出したバランス用筒体をインペラの回転軸心と同軸上に設け、このバランス用筒体と対向するインペラケーシング内側面にバランス用筒体の先端部が収容される円形凹溝を設けることが望ましい。このようなバランス用筒体および凹溝を設ければ、回転中のバランス用筒体と凹溝との隙間に存在する液体によりラジアル方向の楔効果が生じるため、バランス用筒体は凹溝内壁に接触することなく、凹溝内に安定保持された状態で回転するようになる。

したがって、ロータとキャンとの隙間で生じている楔効果と、このバランス用筒体と凹溝との隙間で生じている楔効果とが相俟って、回転中のインペラおよびロータの安定性がさらに向上する。このため、インペラとインペラケーシングおよびロータとキャンとの接触、摺動がなくなり、これらの接触、摺動に起因する故障を防止することができる。この場合、バランス用筒体の内径および外径は、ロータの内径および外径と同等とすることが望ましい。

また、インペラの駆動側面、吸込側面とそれぞれ対向するインペラケーシング内側面に、インペラの回転軸心を中心に放射状に形成された複数の凹溝と、これらの凹溝によって区画された複数の領域にそれぞれインペラ回転方向に沿って登り勾配をなすように形成された楔形傾斜面とを設けることが望ましい。

このような楔形傾斜面を設ければ、回転中のインペラとケーシング内側面との隙間に生じている楔効果が、凹溝を経由してインペラと楔形傾斜面との隙間に流入した液体によってさらに高められることとなる。したがって、回転中のインペラのスラスト方向の移動は、この楔効果によって確実に回避され、インペラとインペラケーシングとの接触、摺動を防止することができる。

さらに、インペラにその回転軸心と同軸上に貫通した吸込孔を開設し、インペラの吸込側面と対向するインペラケーシングにこの吸込孔と同軸上に開設された流体吸込口の周縁部に、吸込孔内へ突出した補助吸入筒を設けることが望ましい。このような補助吸入筒を設ければ、インペラの回転開始時あるいは回転中に、インペラ内に吸い込まれた流体によって発生するインペラのスラスト方向の移動を緩和することができる。このため、インペラの回転開始時および回転中のインペラとインペラケーシングとの接触、摺動を防止することができる。

一方、インペラの駆動側面と対向するインペラケーシング内側面の一部に、吸込孔内へ突出した流入液調整ボスを設けることが望ましい。このような流入液調整ボスを設ければ、前述と同様、インペラの回転開始時あるいは回転中にインペラ内に吸い込まれた流体によって発生するインペラのスラスト方向の移動を緩和することができる。このため、インペラの回転開始時および回転中のインペラとインペラケーシングとの接触、摺動を防止することができる。

なお、このような流入液調整ボスの先端面には、頂点部分がインペラの回転軸心上に位置し、その裾野部分が滑らかに広がった円錐形状の突出部を設けることが望ましい。このような突出部を設ければ、インペラの回転軸心に沿って吸込孔に流入する液体を、突出部の外周面に沿って放射方向へ均等に分散誘導することが可能となる。このため、インペラのスラスト方向の移動が緩和され、回転開始時および回転中のインペラの安定性がさらに向上する。

また、インペラの駆動側面および吸込側面の外周に、駆動側面および吸込側面を外周方向に拡張する延長側板を設けることもできる。このような延長側板を設ければ、インペラの外径が比較的小さく、楔形傾斜面と対向するインペラ両側面の面積が不足するおそれのあるポンプ装置においても、インペラとインペラケーシングとの接触、摺動を回避することができる。

さらに、インペラケーシング内の液体の有無を検出する液体センサと、この液体センサからの液体検出信号を当該ポンプ装置の起動条件とする制御器とを設けることもできる。このような構成とすれば、ポンプケーシング内に液体が存在しない状態での運転、いわゆる空運転を未然に防止することができるため、空運転に起因する故障をなくすことができる。

本発明により、以下の効果を奏することができる。

（１）インペラケーシング内のインペラよりも外周領域に、この外周領域を外周側と内周側とに区画するためケーシングの外壁の内側にインペラの回転軌跡と平行な円弧状の隔壁を設け、隔壁の片端部をインペラケーシングの上端部に開設された吐出口の内側開口に臨ませて配置し、隔壁の他端部を吐出口と対向する位置に配置することにより隔壁と外壁とによって円弧状の二重壁を形成し、
ケーシングにおける二重壁と対向する位置を円弧状の閉鎖壁とし、
隔壁の片端部および他端部と、閉鎖壁との間にそれぞれインペラの外周領域と連通し、広さが略同じである吐出孔を開設して隔壁と外壁との間に吐出液通路を設けたことにより、吐出口に臨む位置の液圧と、吐出口の対向位置の液圧とが殆ど同等となるため、回転中のインペラが吐出口方向へ引き寄せられることがなくなり、インペラを軸心上に安定保持して回転させることが可能となる。このため、ロータとキャンとの間、インペラとインペラケーシングとの間の接触、摺動がなくなり、これらの接触、摺動に起因する故障を防止することができる。

（２）インペラの吸込側面にバランス用筒体を設け、このバランス用筒体と対向するインペラケーシング内側面に、バランス用筒体の先端部が収容される円形凹溝を設ければ、このバランス用筒体と凹溝との隙間で生じている楔効果と、ロータとキャンとの隙間で生じている楔効果とが相俟って、インペラおよびロータの安定性がさらに向上し、ケーシングやキャンとの接触、摺動を防止することができる。

（３）インペラケーシング内側面に、インペラの回転軸心を中心に放射状に形成された複数の凹溝と、これらの凹溝で区画された複数の領域にそれぞれインペラ回転方向に沿って登り勾配をなすように形成された楔形傾斜面とを設ければ、回転中のインペラとケーシング内側面との隙間に生じている楔効果がさらに高まるため、インペラのスラスト方向の移動が確実に回避され、インペラとインペラケーシングとの接触、摺動を防止することができる。

（４）インペラにその回転軸心と同軸上に貫通した吸込孔を開設し、インペラケーシングに開設された流体吸込口のインペラ側の周縁部に、吸込孔内へ突出した補助吸入筒を設ければ、インペラ内に吸い込まれた流体によって発生するインペラのスラスト方向の移動を緩和することができるため、インペラとインペラケーシングとの接触、摺動を防止することができる。

（５）インペラの駆動側面と対向するインペラケーシング内側面の一部に、吸込孔内へ突出した流入液調整ボスを設ければ、前述と同様、インペラのスラスト方向の移動を緩和することができるため、インペラとインペラケーシングとの接触、摺動を防止することができる。

（６）インペラの駆動側面および吸込側面の外周に、駆動側面および吸込側面を外周方向に拡張する延長側板を設ければ、インペラの外径が比較的小さく、楔形傾斜面と対向するインペラ両側面の面積が不足するおそれのあるポンプ装置においても、インペラとインペラケーシングとの接触、摺動を確実に回避することができる。

（７）インペラケーシング内の液体の有無を検出する液体センサと、この液体センサからの液体検出信号を当該ポンプ装置の起動条件とする制御器とを設ければ、空運転を未然に防止することが可能となるため、空運転に起因する故障をなくすことができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態であるポンプ装置について説明する。図２は本発明の実施の形態であるポンプ装置の断面図であり、図３は図２に示すポンプ装置の一部切欠分解図であり、図４は図２におけるＸ１−Ｙ１線断面図である。また、図５はケーシング内に隔壁のないポンプ装置におけるケーシング内の液体の挙動を示す図であり、図６は図５に示すポンプ装置におけるインペラ、ロータと、ケーシング、キャンとの接触状態を示す図であり、図７は図２に示すポンプ装置におけるケーシング内の液体の挙動を示す図である。

図２に示すポンプ装置の仕様は以下の通りである。外部よりの吸込管の口径（吸込口２６の口径）φ３２ｍｍで、吐出管の口径（吐出口２７の口径）φ２０ｍｍである。インペラ２０の材質はＰＶＣであり、その外径は８０ｍｍであり、吸込孔２０ａの口径φ３２ｍｍであり、インペラ羽根数は５枚である。ロータ３０は厚さ３ｍｍのＡｌ製円筒体で形成され、その露出面には厚さ２００μｍのテフロン（登録商標）がコーティングされている。

キャン３８は厚さ２ｍｍの二重円筒構造であり、内キャン３１および外キャン３２で構成されている。内キャン３１、外キャン３２とロータ３０との隙間はそれぞれ２ｍｍとなっている。主ケーシング２１は二重壁構造であり、通液幅１０ｍｍである。

回転磁界発生装置を構成する外磁石３３および内磁石３４の個数は内外磁石３３，３４共に４Ｐであり、その材質はネオジ磁石である。駆動モータ３７は３φ，２００Ｖタイプで、その出力は０．４ｋＷである。楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８は楔用液体を取り込むための凹溝２５−３と交互に合計８面形成され、それぞれの楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８の傾斜角度θ＝２度である。また、ポンプ装置は、その吐出量５０ｌ／ｍｉｎであり、揚程８ｍであり、ポンプ効率２４％である。

図２，図３に示すように、ポンプ装置において、インペラケーシング２１は、隔壁２３−１およびケーシング主板２３を吸い込み側のケーシング側板２１−１，キャン側のケーシング側板２１−２で挟持することによって形成され、これらの部材を締め付けボルト２８で締め付けることによって固定されている。

インペラケーシング２１内にインペラ２０が配置され、このインペラ２０の片面（駆動側面）にその回転軸心と同軸上にＡｌ製のロータ３０が固定されている。したがって、締め付けボルト２８を緩めて取り外せば、インペラ２０およびロータ３０は簡単に取り出したり、元の場所へ配置したりすることができる。ロータ３０は非磁性電気良導体であるアルミニウム製の中空円筒体であり、その露出面にはテフロン（登録商標）樹脂がコーティングされている。

インペラ２０およびロータ３０（以下、「回転部分」と記す。）は、ケーシング２１およびキャン３８（内キャン３１，外キャン３２）内において自由に回転し得るように配置されている。キャン３８（内キャン３１，外キャン３２）は、非磁性高電気抵抗の材質で作られた二重円筒構造であり、内キャン３１の底部（インペラ２０寄りの部分）は閉塞され、他方部分（駆動モータ３７寄りの部分）は内キャン３および外キャン３２が互いに接合された閉鎖形状となっている。

内キャン３１の内側および外キャン３２の外側には隙間を置いてそれぞれ外磁石３３、内磁石３４が複数組配置されている。これらの外磁石３３、内磁石３４は、それぞれ外磁石用ヨーク３３−１，内磁石用ヨーク３４−１からなる二重円筒体形状の磁石ホルダ３５に取り付けられている。そして、この磁石ホルダ３５の軸心部分が、ホルダ連結軸３６を介して駆動モータ３７の出力軸（図示せず）に連結されている。

ここで、図４を参照して、内磁石３４、外磁石３３の配置状態について説明する。図４に示すように、内磁石用ヨーク３４−１に取り付けられた内磁石３４と、外磁石用ヨーク３３−１に取り付けられた外磁石３３の相対向する面は互いに異極であり、複数の内磁石３４、外磁石３３におけるそれぞれの各相隣れる面の磁性も互いに異なるように配置している。これらの内磁石３４および外磁石３３は、磁石ホルダ３５の軸心に固定されたホルダ連結軸３６を介して一つの駆動モータ３７で同時に回転駆動される。

このように、磁石ホルダ３５とともに内磁石３４および外磁石３３を回転させることにより、内磁石３４と外磁石３３との間には回転磁界が発生し、内磁石３４と外磁石３３との間の磁束がロータ３０と交差して、ロータ３０に誘導電流を発生させ、ロータ３０に回転力および反発力を発生させる。そして、これらの回転力および反発力がインペラ２０の回転駆動力となる。

ロータ３０はインペラ２０の片面（駆動側面）のみに取り付けられているため、インペラ２０およびロータ３０を含む回転部分の重心点はインペラ２０のロータ３０寄りの部分に位置することとなり、インペラ２０が左右に振れるおそれがある。これを防ぐため、インペラ２０の駆動面（ロータ３０が取り付けられている面）の反対側に位置する吸込側面を構成するインペラ側板２０−１に、ロータ３０と反対側へ突出した円筒状のバランス用筒体２０−３を設けている。バランス用筒体２０−３はインペラ２０の回転軸心と同軸上に設けられ、このバランス用筒体２０−３と対向する吸込側ケーシング側板２１−１内側面にバランス用筒体２０−３の先端側が収容される円形の凹溝２１ａが形成されている。

このようなバランス用筒体２０−３および凹溝２１ａを設けたことにより、回転中のバランス用筒体２０−３と凹溝２１ａとの隙間に存在する液体によりラジアル方向の楔効果が生じるため、バランス用筒体２０−３は凹溝２１ａ内壁に接触することなく、凹溝２１ａ内に安定保持された状態で回転する。

したがって、ロータ３０とキャン３８との隙間で生じている楔効果と、このバランス用筒体２０−３と凹溝２１ａと３０隙間で生じている楔効果とが相俟って、回転中のインペラ２０およびロータ３０の安定性がさらに向上する。このため、インペラ２０とインペラケーシング２１およびロータ３０とキャン３８との接触、摺動がなくなり、これらの接触、摺動に起因する故障を防止することができる。本実施形態において、バランス用筒体２０−３の内径および外径は、ロータ３０の内径および外径と同等としたところ、インペラ２０およびロータ３０の安定性は優れたものとなった。

また、図３および後述する図７に示すように、インペラ２０にその回転軸心と同軸上に貫通した吸込孔２０ａを開設し、インペラ２０の吸込側面と対向するケーシング側板２１−１内面に吸込孔２０ａと同軸上に開設された流体吸込口２６の周縁部に、吸込孔２０ａ内へ突出した補助吸入筒２１−１−１を設けている。

補助吸入筒２１−１−１を設けたことにより、インペラ２０の回転開始時あるいは回転中に、インペラ２０内に吸い込まれた流体によって発生するインペラ２０のスラスト方向の移動を緩和することができる。このため、インペラ２０の回転開始時および回転中のインペラ２０とインペラケーシング２１との接触、摺動を防止することができる。

さらに、インペラ２０の駆動側面と対向するケーシング側板２１内面の中央部分（内キャン３１の底部）に、吸込孔２０ａ内へ突出した流入液調整ボス３１−１を設けている。このような流入液調整ボス３１−１を設けたことにより、前述と同様、インペラ２０の回転開始時あるいは回転中にインペラ２０内に吸い込まれた流体によって発生するインペラ２０のスラスト方向の移動を緩和することができる。このため、インペラ２０の回転開始時および回転中のインペラ２０とインペラケーシング２１との接触、摺動を防止することができる。

また、流入液調整ボス３１−１の先端面には、頂点部分がインペラ２０の回転軸心上に位置し、その裾野部分が滑らかに広がった円錐形状の突出部３１−１ａを設けている。このような突出部３１−１ａを設けたことにより、インペラ２０の回転軸心に沿って吸込孔２０ａに流入する液体を、突出部３１−１ａの外周面に沿って放射方向へ均等に分散誘導することが可能となる。このため、インペラ２０のスラスト方向の移動が緩和され、回転開始時および回転中のインペラ２０の安定性をさらに向上させることができる。

ここで、図５は従来形式のポンプ装置において、吐出口２７が上方にある場合のポンプインペラ２０とインペラケーシング２３との関係を示す図である。図５において、インペラ２０の中心点をφ₁とすると、インペラ２０が回転し、突出口２７から液体の吐出が始まると、インペラケーシング２３内における吐出口２７に臨む位置の液圧Ｐ₁は、吸込口２６を挟んだ対称位置における圧力Ｐ₂より低くなる。

このとき、インペラケーシング２３内で非接触状態にあるインペラ２０は、液圧Ｐ₁と圧力Ｐ₂との圧力差により、図６に示すように、上方に押し上げられ、ロータ３０が内キャン３１および外キャン３２に当たり、インペラ２０およびロータ３０は傾いたまま回転することとなる。このとき、ロータ３０と内キャン３１，外キャン３２とはＱ₁，Ｑ₂の部分で接触し、インペラ２０と吸込側ケーシング側板２１−１およびキャン側ケーシング側板２１−２とはＱ₃，Ｑ₄の部分で接触する。

このような接触によって発生する摺動が、単なる反発力不足によるものであれば、ロータ３０と内キャン３１および外キャン３２とが全面的に摺動する筈である。しかしながら、このような接触、摺動が部分的にしか起こっていないことを考慮すれば、単なる反発力不足とはいえない。

このような接触、摺動現象の解決するため、本実施形態のポンプ装置においては、図７に示すような構造を採用している。図７に示すように、ケーシング２１内のインペラ２０よりも外周領域に、この外周領域を外周側と内周側に区画するためインペラ２０の回転軌跡と平行な円弧状の隔壁２３−１を設け、隔壁２３−１の片端部２３−１ａをケーシング２１の上端部に開設された吐出口２７の内側開口に臨ませて配置し、隔壁２３−１の他端部２３−１ｂを吐出口２７と対向する位置に配置している。

これにより、隔壁２３−１と外壁２３−２とによって円弧状の二重壁が形成され、これらの二重壁と対向する位置に円弧状の閉鎖壁２３−５が配置された構造となる。そして、隔壁２３−１の片端部２３−１ａおよび他端部２３−１ｂと、閉鎖壁２３−５との間にはそれぞれインペラ２０の外周領域と連通する吐出孔２３−３，２３−４が開設され、その広さが略同じとなっている。下方の吐出孔２３−４を通過した液体流は隔壁２３−１と外壁２３−２との間の吐出液通路２４を流動し、吐出口２７に臨む位置において、上方の吐出孔２３−３を通過した液体流と合流する。

このように、ケーシング２１内のインペラ２０よりも外周領域に円弧状の隔壁２３−１を設け、その片端部２３−１ａを吐出口２７の内側開口に臨ませて配置し、他端部２３−１ｂを吐出口２７と対向する位置に配置すると、吐出孔２３−３における液圧Ｐ₁≒吐出孔２３−４における液圧Ｐ₂となる。したがって、インペラ２０は回転軸心からずれることなく正常位置にて回転し、回転部分の傾きも発生せず、図５，図６で示した従来のポンプ装置で発生していたロータ２０と内キャン３１、外キャン３２との接触、摺動現象、インペラ２０の傾きによるケーシング２１との接触、摺動現象をなくすことができた。

一方、本実施形態のポンプ装置においては、インペラ２０にスラスト力（回転軸心方向の力＝ホルダ連結軸３６の軸方向の力）が発生し、この大きさは、ポンプの揚程、吐出量によって変化する。このようなスラスト力により、インペラ２０は左右に傾くため、そのままではケーシング２１と摺動する。

これを防止するため、本実施形態のポンプ装置では図２に示すように、インペラ側板２０−１，２０−２と対向するケーシング側板２１−１，２１−２にそれぞれ楔面部２５−１，２５−２を設けている。楔面部２５−１，２５−２は、後述する図９に示すように、インペラ２０の回転軸心を中心に放射状に形成された８本の凹溝２５−３と、これらの凹溝２５−３によって区画された８つの領域にそれぞれインペラ回転方向Ｒに沿って上り勾配をなすように形成された楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８とによって構成されている。

このような楔面部２５−１，２５−２を設ければ、前記スラスト力などによりインペラ２０がケーシング側板２１−１，２１−２に近づいたときに、このインペラ２０と楔面部２５−１，２５−２との隙間に流入した液体による楔効果が生じるため、両者の接触を防ぐことができる。

ここで、図８〜図１０を参照して、楔効果について詳しく説明する。図８はその他の実施の形態であるポンプ装置を示す部分断面図であり、図９は図８におけるＸ２−Ｙ２線矢視図であり、図１０はインペラ側板２０−１（２０−２）と楔面部２５−１（２５−２）との関係を示す図である。

図９に示すように、ケーシング側板２１−２の楔面部２５−２は複数の凹溝２５−３によって複数の楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８で区画されている。図９において、複数の枝線を付した円弧状の矢線３９は楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８の上り勾配を表し、Ｒはインペラ２０の回転方向を表し、Ｗは楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８に入ってきた液体の流動方向を表している。図１０において、θは楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８の傾斜角度を表し、ｇ₁，ｇ₂はケーシング側板２１−２の楔面部２５−１（２５−２）と、インペラ側板２０−１（２０−２）との隙間を表している。

楔面部２５−１（２５−２）によって生じる反発力ＦＡは、概略、下記のように表されている。液体の粘度、楔面部２５−１（２５−２）への液体の流入速度（本実施形態ではインペラ２０の回転数に比例すると仮定する。）が一定ならば、
ＦＡ∝（ｂ²×Ｌ×ｎ）／ｇ₁ ²
（ｂ：楔形傾斜面の幅、Ｌ：楔形傾斜面の長さ、ｎ：楔形傾斜面の数）
と表すことができる。

ここで、ｇ₂は楔形傾斜面Ｂ１〜Ｂ８への流入口側の隙間であり、ｇ₁は流出側の隙間であり、ｇ₂／ｇ₁＝２〜４の値が通常であり、これにより、Ｌおよびθが決まってくる。以上より、インペラ２０の外径が小さいと、楔面部２５−１（２５−２）と対向し得る面積（ｂ×Ｌ）が狭くなり、楔効果は減少することとなるが、特に、幅ｂが狭くなると大きく減少する傾向がある。

このような楔効果の減少への対策として、インペラ２０の外径が小さいときには、インペラ２０の羽根はそのままにして、インペラ２０の側板のみを大きくし、対向するケーシング側板２１−１，２１−２の楔面部２５−１，２５−２も拡げることが望ましい。すなわち、図８に示すように、インペラ２０を構成するインペラ側板２０−１，２０−２の外周に延長部分２０−１−１，２０−２−１を設けるとともに、これに対向するケーシング側板２１−１，２１−２の楔面部２５−１，２５−２も拡大することにより、必要とする楔効果を確保することができる。

本実施形態のポンプ装置において、液体中で金属を使用せねばならないはロータ３０のみである。ロータ３０は腐蝕（含電蝕）防止のため、その露出面（液体との接触面）を樹脂などで十分にコーティングまたはライニングを施す必要があるが、コーティングなどを施したロータ３０をインペラ２０に取り付けるとき、ネジ、ビスなどで直接取り付けることは危険であり、間接的に取り付けるべきである。

すなわち、図１１に示すように、インペラ２０に対してロータ３０をビス３０−２で直接取り付けず、樹脂で作った取り付け用補助板３０−１を介して取り付けることが望ましい。これは、ロータ３０にビス孔をあけた場合、ビス孔の内部を完全にコーティングすることは困難であり、ビス孔内部にコーティング不良の部分があると、これが電蝕の原因になるからである。

本実施形態のポンプ装置が、起動から全速運転に至るまでの間に、ロータ３０が回転磁界装置（外磁石３３、内磁石３４、磁石ホルダ３５）から受ける回転力、反発力および楔効果によるキャン３８とロータ３０間の液体流による反発力の特性を図１２に示す。図１２に示すグラフにおいては、ロータ３０の速度（すべりＳ）を横軸にとり、縦軸にロータ３０が受ける回転力Ｔと、ロータ３０が磁界から受ける反発力Ｆｍと、楔効果による反発力ＦＡとをとった場合の特性を示している。

図１２において、曲線Ｃ１は回転力Ｔ、曲線Ｃ２は磁界による反発力Ｆｍ、曲線Ｃ３は楔効果による反発力ＦＡを示す。ここにおいて、すべりＳは、外磁石３３，内磁石３４の回転数ｎｏ、ロータ３０の回転数ｎとしたとき、Ｓ＝（ｎｏ−ｎ）／ｎｏである。回転磁界によりロータ３０が受ける回転力Ｔは、Ｇａｐの極めて大きい汎用駆動モータの回転力−速度特性と近似するので、概略Ｃ１のようになる。

ロータ３０が回転磁界から受ける反発力Ｆｍは、Ｓ・Ｒｍ＞１の場合は反発力となり、Ｓ・Ｒｍ＜１の場合は吸引となる。ここで、Ｒｍは、磁石３３，３４とロータ３０間の磁気的ギャップ、ロータ３０の厚み、材質などによって決まる数値であり、磁気レイノルズ数といわれている。

図１２に示すグラフからわかるように、Ｓが最大になる点は、すなわち起動時でＳ＝１なので、このとき反発力が最大である。すなわち、ロータ３０は起動時に最大の反発力を受けるため、先ず浮上した後、回転を始める。これにより、起動時、ロータ３０とキャン３８との摺動が発生しないこととなり、好都合である。

一方、ロータ３０の回転数が上昇すると、すなわち、インペラ２０の回転数が上昇するとＳ＝０では反発力は０となる。しかしながら、キャン３８とロータ３０間で発生している楔効果による反発力は、液体が存在する限り、ロータ３０の回転数が上昇するとそれに比例して大きくなる。ロータ３０すなわちインペラ２０が正常回転になったときのすべりＳ１とすると、ロータ３０の受ける反発力はＦｍＳ１＋ＦＡＳ１となり、ロータ３０は浮上し安定する。しかし、液体が存在しないとＦＡ＝０となり、ロータ３０の回転数はさらに上がりＦｍは極めて小さくなり、反発力は殆どなくなる。

このことは、液体が存在しないと反発力は極めて小さくなり、ロータ３０とキャン３８とは摺動することを示す。したがって、ポンプ装置においては空運転防止対策が必要であり、少なくともケーシング２１内が空のときは、駆動モータ３７が起動できないようにする必要がある。

そこで、本実施形態のポンプ装置においは、前述した図２に示すように、吐出口２７付近に液体の有無を検出する液体センサ２９を取り付け、液体センサ２９からの液体検出信号をポンプ装置の起動条件としている。すなわち、液体センサ２９からの液体検出信号がない場合、駆動モータ３７が起動しないようになっている。これによってポンプ装置の空運転を防止することができる。なお、ポンプ装置の空運転を防止する手段としては、ポンプ停止時でもポンプケーシング内に液体を充満させておく方法もある。

本実施形態のポンプ装置においては、起動、停止、運転中はもとより吐出バルブの全開と全閉のいずれの状況においても回転部分（ロータ３０、インペラ２０）と周壁（ケーシング２１、キャン３８）との摺動痕跡は全く認められなかった。検査は、回転部分に検査用塗装を施して運転を行った後、その検査用塗装の剥離の有無によって摺動の有無を検査したほか、微細スラリーや石灰石液にてのテストにおいても全く支障はなかった。また、吸込口２６に連結された吸込管（図示せず）に逆止弁（図示せず）をつけることにより常時再起動も可能となることも確認した。

このように、本実施形態のポンプ装置はノンシール構造で、液体中に軸受けがなく、回転部分（ロータ３０、インペラ２０）は、周壁（ケーシング２１、キャン３８）と接触することなく浮いた状態で、極めて安定した状態で運転できるので、摺動などによるコンタミの発生は全くない。また、液体と接触する部分を全て合成樹脂材料、または樹脂コーティング材あるいはセラミックス材などで製作することができるので、接液面に金属材料を使用する必要がない。このことは、ポンプ装置で送給する液体中への金属イオンの溶出をなくすことができることを示している。また、運転中の摺動部分がないことは、故障の激減、寿命の長期化を実現し、メンテナンスフリーの状態にもなり得る。

本発明のポンプ装置は、純粋液、腐蝕液にも使用できるほか、微細スラリー混入液などの各種液体を汲み上げたり、移送したりする様々な技術分野において広く利用することができる。

試作であるポンプ装置を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態であるポンプ装置の断面図である。 図２に示すポンプ装置の一部切欠分解図である。 図２におけるＸ１−Ｙ１線断面図である。 ケーシング内に隔壁のないポンプ装置におけるケーシング内の液体の挙動を示す図である。 図５に示すポンプ装置におけるインペラ、ロータと、ケーシング、キャンとの接触状態を示す図である。 図２に示すポンプ装置におけるケーシング内の液体の挙動を示す図である。 その他の実施形態であるポンプ装置の部分断面図である。 図８におけるＸ２−Ｙ２線矢視図である。 図２に示すポンプ装置を構成する楔面とインペラとの位置関係を示す図である。 ロータの取り付け構造に関するその他の実施の形態を示す断面図である。 図２に示すポンプ装置を構成するロータの動作特性図である。

符号の説明

１ インペラ
２ インペラとロータ連結軸
３ インペラ主ケーシング
４ インペラケーシング内側板
５ キャン
６ 内外磁石ホルダ
７ 外磁石
８ 内磁石
９ ロータ
１０ ポンプケーシング
１１ タイミングプーリ
１２ タイミングベルト
１３ 駆動モータ
１３ａ 出力軸
１４ 締め付けボルト
１５ 吸込口
１６ 吐出口
２０ インペラ
２０ａ 吸込孔
２０−１，２０−２ インペラ側板
２０−１−１，２０−２−１ 延長側板
２０−３ バランス用筒体
２１インペラケーシング
２１ａ，２５−３ 凹溝
２１−１，２１−２ ケーシング側板
２１−１−１ 補助吸入筒
２２ 駆動部ケーシング本体
２３ ケーシング主板
２３−１ 隔壁
２３−２ 外壁
２３−１ａ 片端部
２３−１ｂ 他端部
２３−３ 上部吐出孔
２３−４ 下部吐出孔
２３−５ 閉鎖壁
２４ 吐出液通路
２５−１，２５−２ 楔面部
２６ 吸込口
２７ 吐出口
２８ 締め付けボルト
２９ 液体検出センサ
３０ ロータ
３０−１ 取り付け用補助板
３０−２ ネジ
３１ 内キャン
３１−１ 流入液調整ボス
３１−１ａ 突出部
３２ 外キャン
３３ 外磁石
３３−１ 外磁石用ヨーク
３４ 内磁石
３４−１ 内磁石用ヨーク
３５ 磁石ホルダ
３６ ホルダ連結軸
３７ 駆動モータ
３８ キャン
３９ 矢線
Ｐ₁，Ｐ₂ 液圧
φ₁ インペラ中心
Ｑ₁ ロータとキャンの接触点
Ｑ₂ ロータとキャンの接触点
Ｑ₃ インペラとケーシングの接触点
Ｑ₄ インペラとケーシングの接触点
Ｂ１〜Ｂ８ 楔形傾斜面
Ｒ インペラの回転方向
Ｗ 液体の流入方向
θ 楔形傾斜面の傾斜角
ｇ₁，ｇ₂ 楔形傾斜面とインペラ側板との隙間
ｂ 楔形傾斜面幅
Ｌ 楔形傾斜面長さ
Ｓ スリップ
Ｔ 回転力
Ｆ 吸引力
Ｆｍ 反発力
ＦＡ 楔効果による反発力
Ｃ１ Ｔ−Ｓ特性曲線
Ｃ２ Ｆｍ−Ｓ特性曲線
Ｃ３ ＦＡ−Ｓ特性曲線
Ｓ１ 正常運転時のスリップ

Claims (7)

1. クローズド型のインペラの駆動側面にその回転軸心と同軸上に固定された金属製の円筒状ロータを隔壁を隔てて配置された回転磁界発生装置で間接駆動してロータおよびインペラをケーシング内で非接触状態に保持して回転させる機構を備えた、片吸込・上方吐出・片側駆動の横置型のポンプ装置において、
   前記インペラケーシング内の前記インペラよりも外周領域に、前記外周領域を外周側と内周側とに区画するため前記ケーシングの外壁の内側に前記インペラの回転軌跡と平行な円弧状の隔壁を設け、前記隔壁の片端部を前記インペラケーシングの上端部に開設された吐出口の内側開口に臨ませて配置し、前記隔壁の他端部を前記吐出口と対向する位置に配置することにより前記隔壁と前記外壁とによって円弧状の二重壁を形成し、
   前記ケーシングにおける前記二重壁と対向する位置を円弧状の閉鎖壁とし、
   前記隔壁の片端部および他端部と、前記閉鎖壁との間にそれぞれ前記インペラの外周領域と連通し、広さが略同じである吐出孔を開設して前記隔壁と前記外壁との間に吐出液通路を設けたことを特徴とするポンプ装置。
2. 前記インペラの駆動側面の反対側に位置する吸込側面に、前記ロータと反対側へ突出したバランス用筒体を前記インペラの回転軸心と同軸上に設け、前記バランス用筒体と対向する前記インペラケーシング内側面に前記バランス用筒体の先端側が収容される円形凹溝を設けた請求項１記載のポンプ装置。
3. 前記インペラの駆動側面、吸込側面とそれぞれ対向する前記インペラケーシング内側面に、前記インペラの回転軸心を中心に放射状に形成された複数の凹溝と、前記凹溝によって区画された複数の領域にそれぞれ前記インペラの回転方向に沿って登り勾配をなすように形成された楔形傾斜面とを設けた請求項１または２記載のポンプ装置。
4. 前記インペラにその回転軸心と同軸上に貫通した吸込孔を開設し、前記インペラの吸込側面と対向する前記インペラケーシングに前記吸込孔と同軸上に開設された流体吸込口の前記インペラ側の周縁部に、前記液体流入口内へ突出した補助吸入筒を設けた請求項１〜３のいずれかに記載のポンプ装置。
5. 前記インペラの駆動側面と対向する前記インペラケーシング内側面の一部に、前記吸込孔内へ突出した流入調整ボスを設けた請求項１〜４のいずれかに記載のポンプ装置。
6. 前記インペラの駆動側面および吸込側面の外周に、前記駆動側面および吸込側面を外周方向に拡張する延長側板を設けた請求項１〜５のいずれかに記載のポンプ装置。
7. 前記インペラケーシング内の液体の有無を検出する液体センサと、前記液体センサからの液体検出信号を当該ポンプ装置の起動条件とする制御器とを設けた請求項１〜６のいずれかに記載のポンプ装置。

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