JP4493853B2 - 溶融金属ポンピング装置用のシャフトとポストのアセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、溶融金属をガス抜きし、浸漬し、攪拌し、さらにポンピングする装置に関する。詳細には、本発明は、アルミニウム、鉛又はマグネシウムなどの溶融金属を移動すなわちポンピングする機械装置に関する。より詳細には、本発明は、モータが溶融金属漕の上方に位置して垂直シャフトを回転させる、このような装置中にある駆動装置に関する。このシャフトの下方端が、インペラ又はロータを駆動して、溶融金属に運動を当てる。本発明の類似の応用例は、モータを支持するポストの構造に見受けられる。
【０００２】
（背景技術）
溶融金属の処理において、溶融金属をある場所から別の場所にポンピングさせることがしばしば必要となる。金属を容器から取り除くことが望ましい場合、いわゆる移送ポンプが用いられる。溶融金属を容器内で循環させることが望ましい場合、いわゆる循環ポンプが用いられる。容器内に配置された溶融金属を精製させることが望ましい場合、いわゆるガス注入ポンプが用いられる。これらのポンプはどれもが、回転式インペラが、一般的にはポンピングチャンバ内で、容器中に含まれる溶融金属に浸漬される。加えて、モータは、ベースに接続されているポストによって漕の上方にある上部構造体上で吊られている。ポンピングチャンバ内でインペラが回転すると、ポンピングチャンバの設計によって許容される方向に所望のように溶融金属が駆動される。本発明は、このような各々のタイプの設計の改良に関する。
【０００３】
溶融金属を漕中で移動させる機械式ポンプは、従来比較的寿命が短いが、それは、ポンプの製造に用いられる材料に対して溶融金属環境がもたらす破壊効果のためである。そのうえ、溶融金属漕中で長期動作が可能な材料のほとんどはその強度が比較的弱く、そのため、機械的な故障を引き起こしかねない。この点で、産業界は一般に適当な強度、耐熱性及び耐化学性を持ち、厳しい溶融金属環境でも需要可能な期間にわたって機能する黒鉛に頼ってきた。
【０００４】
黒鉛は現在最も一般的に用いられている材料であるが、黒鉛は、ポンプ製造業者にとってはある種の難点を提示している。特に、機械式ポンプは通常は、溶融金属に浸漬された黒鉛製ポンプハウジングを必要とする。しかしながら、このハウジングは、黒鉛が金属より密度が低いため金属漕中で幾分浮揚してしまう。ポンプハウジングが金属中で隆起するのを防止し、また、漕の好ましくない横方向移動を防止するために、１連の垂直レッグをポンプハウジングと、駆動モータの支持とベースの位置付けという機能を同時に果たす頭上構造体と、の間に位置付けられる。上記の役割において中間部材として機能することに加えて、ポストとも呼ばれるレッグは、ポンプを溶融金属漕中に設置したり除去したりする際に発生する引っ張り応力に耐えるに十分な強度がなければならない。
【０００５】
同様に、インペラとモータを接続するシャフトは黒鉛製である。しばしば、シャフト構成部品は、金属漕中の吸蔵物質がハウジングに当たったり捕獲されたりするとかなりの応力を経験する。黒鉛は所望されるほどの高い強度を持っていないため、ポンプのレッグとシャフトなどの構成部品を強化すると助けとなる。
【０００６】
加えて、黒鉛は機械加工が困難になることがあるが、それは、ストックが異なると熱膨張係数及び／又は粒子方位が異なるからである。この結果、ポストとベースが溶融金属環境中で発散熱膨張係数と競合熱膨張係数を有することに成りかねない。この問題は、ポンプ構造が従来、黒鉛製ポストを黒鉛製ベースの穴にセメントで固めることが必要であった事実と複合してしまう。この設計のため、発散熱膨張に対応する許容誤差が構成部品同士間に無いことになってしまう。不運にも、このため、ベース又はポストにクラックが入りかねない。したがって、発散熱膨張傾向に対処し得るようにポストとベースが突き合わされるような溶融金属ポンプとするのが望ましい。
【０００７】
本発明は、溶融金属を処理する際に用いられる他のさまざまな装置にも等しく応用可能である。そのうえ、ポンプに加えて、溶融金属スクラップを溶融させたり（すなわち、浸漬させたり）、ガス抜きしたり、攪拌したりする装置は一般的に、垂直シャフトによって溶融金属の層に浸漬されたインペラ／ロータが回転して動作するものである。より具体的には、浸漬デバイスを用いて、リサイクル材料を溶融させる手助けとする。第２次金属産業の主な関心事は、スクラップ金属の溶融中の溶融金属中に混入したり溶解する酸素やガスが発生することである。これらの不純物によって、最終的に最終製品として市場に出されるスクラップ金属の品質と価値を損なう。したがって、ガス抜きデバイスは、これらの不純物を除去するためにしばしば用いられる。ガス抜き装置中では一般的に中空のシャフトがあって、これで、シャフトの下方からガスを注入してインペラ／シャフトロータのボアから排出し易くしている。一般的には、これらの導入されたガスは、好ましくない材料を化学的に放出して、溶融金属漕の残余から分離可能な沈殿物やドロスを形成する。
【０００８】
浸漬デバイスの例が、参照してここに組み込まれる米国特許第４，５９８，８９９号に記載されている。例証のガス抜き装置は、参照してここに組み込まれる米国特許第４，８９８，３６７号に記載されている。これら双方のデバイスにおいて、溶融金属漕中で一方の端にインペラ／ロータが配置された垂直方位付けされたシャフトが用いられている。構成部品が通常的に黒鉛からできていて、このため強度が増すと恩典があるこれらの装置にも類似の問題が発生する。
【０００９】
（発明の開示）
したがって、本発明の主要な利点は、新規で改良型の溶融金属ポンプを提供することにある。
本発明のさらなる利点は、溶融金属ポンプの新規で改良型のポストを提供することである。
本発明の別の利点は、溶融金属ポンプ、ガス抜き装置又は浸漬デバイス用の新規で改良型のシャフトを提供することである。
本発明のさらに別の利点は、ポンプポストをポンプベースに接合する新規で改良型のメカニズムを提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の利点は、強度の向上した溶融金属ポンプ用のポスト又はシャフトを提供することである。
本発明の別の利点は、セメントジョイントを必要としない自己整合ポストを提供することである。
本発明の付加的な利点は、以下の記述に部分的に記載し、また、部分的に以下の記述から明らかであろう、又は、本発明を実施することによって学習されるだろう。本発明の上記の利点は、添付クレームに特に指摘されている手段や組合せによって実現され達成されるであろう。
【００１１】
本書で実現され広く記載されている本発明の目的による前述の利点を達成するために、本発明による溶融金属ポンプは、ハウジング内に少なくとも部分的に封入されているポンピング部材（例えば、インペラやロータ）を備えている。パワーデバイスは、ハウジングとポンピング部材の上方でサポート上に位置付けされている。シャフトは、パワーデバイスとポンピング部材を接続してそれらを回転させる。４つのポストの内の少なくとも１つ、好ましくは２つが、ハウジングをサポートから吊っている。ポスト及びシャフトの一方又は双方は、耐熱性の外部部材によって囲まれている長尺のロッドで成っている。ポストの実施形態では、このロッドは、その第１の端がサポートに（直接に又はカップリングを介して）取り付けられ、第２の端がハウジングの空洞内に配置されている。代替例では、ロッドは厳密に、サポートにカップリングされている外部部材を圧縮するために用いられることができる。シャフトの実施形態では、ロッドは、その第１の端がパワーデバイスに（直接に又はカップリングを介して）固定され、第２の端がポンピング部材の空洞内に配置されている。また、上記のシャフト実施形態はさらに、浸漬デバイスや、ガス抜きデバイスや攪拌デバイスでの使用にも適していることに注意されたい。
【００１２】
この外部部材は、黒鉛や耐火性材料やセラミック材料から成り、ハウジングは黒鉛から成るのが好ましい。ロッドは耐熱性合金から成るのが好ましい。
特に好ましいポスト実施形態では、ロッドはバネによってバイアスされている。外部部材はサポート（又は中間カップリング）の底部表面とハウジングの頂部表面に当接し、これで、バネのバイアス力によって圧縮力が外部部材に印加されるようにするのが好ましい。
【００１３】
本発明の特に好ましい形態では、外部部材は、長手方向軸に沿って整合した複数のほぼ円筒形状のユニットから成っている。ロッドは、各ユニットの中心ボアを下方に走っており、これで積層された配置と成っている。最下層のユニットは、液密シールを精製するようにハウジングの頂部表面に形成された凹部と突き合うような形状をした円周突起を含むのが好ましい。
【００１４】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、ここに図示し記載する新規な部品、構造、装置、組合せ物及び改良点から成っている。本明細書に組み込まれ、その１部を成す添付図面は、本発明の１実施形態を図示しており、説明と共に、本発明の原理を説明する働きをしている。
【００１５】
添付図面に例示されている本発明の好ましい実施形態を以下の詳細に参照する。本発明は好ましい実施形態を参照して説明するが、本発明はその実施形態に限定されないことを意図することが理解されよう。さらに、添付クレームで定義される本発明の精神と範囲に含まれるあらゆる代替例、修正例及び等価物をその範囲に含むことを意図するものである。
【００１６】
図１及び２を参照すると、溶融金属移送ポンプ１が図示されている。溶融金属ポンプは、ポンピング部材としてのインペラ７が内部に配置されているポンプ室５を有するハウジングベース３（以下、ベースと称することがある）を含んでいる。軸受けリング９は、インペラ７とハウジングベース３間で突き合い表面となっている。インペラ７が回転すると、溶融金属１１が出口１３から上昇チューブ１５に駆動されて別の場所に移動する。
【００１７】
モータ１７が、間にあるシャフトカップリング２１を回転させることによってシャフト１９を回転させると、インペラ７が回転される。モータは、絶縁層２３、モータ取付ブラケット２５及びモータ取付プレート２６を有するプラットフォームアセンブリ２２上のハウジングベース３の上方に位置決めされている。
【００１８】
２つのポスト２７は耐火シース３１内に配置された耐熱性合金材料から成るロッド２９で形成されており、ハウジングベース３をプラットフォーム２２の下方に吊っている。ロッドは、４４１３９ オハイオ州ソロン市、オーロラロード（Ａｕｒｏｒａ Ｒｏａｄ）３１９３５、Ｌ．Ｐ．メタリックス・システム社（Ｍｅｔａｕｌｌｉｃｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏ．）から入手可能なＭＳＡ２０００又はＭＳＡ２０００１などの合金から形成されるのが好ましい。この耐火シースはまた、酸化に対する追加の保護目的のセラミックシールド３３を含んでいる。ロッド２９の下方端は、カップ３５を含んでいる。キャップ３５は、ベース３の空洞３７内に配置されている。黒鉛製すなわち耐火性のプラグ３９は、空洞の最低部にセメント固めされていて、溶融金属からその領域を密封している。ロッド２９の上方端は、絶縁層２３中を延長して、モータ取付プレート２６にナット４１で固定されている。ディスクバネ４３又は他の圧縮バネが、モータ取付プラットフォーム２５と絶縁層２３の間に配置されている。絶縁ワッシャ（図示せず）が、モータ取付プレート２６とバネ４３間に位置決めされるのが好ましい。ナット４１を締め付けると、バネ４３が圧縮され、また、ロッド２９とシース３１にバイアスが生じる。
【００１９】
このアセンブリが、ベースとモータ取付物間で高強度の合金ロッド接続体になると利点がある。もちろん、このアセンブリはまた、これがないと溶融金属環境によってロッドが劣化することを防止する。さらなる利点は、黒鉛製ポストがベースの穴に堅固にセメント固めされていないため、黒鉛製ポストと黒鉛製部素中の発散粒子方位に起因する熱膨張不整合が解消することである。さらに、黒鉛製シースの強度が増すが、それは、このシースが、ソケット４５とベース３の上部方面との間で圧搾される結果圧縮された状態に留まるからである。
【００２０】
ここで図３に目を向けると、ロッド２９が詳細に図示されている。この実施形態では、キャップ３５は、ロッドの最下端に至る溶接ライン４７のところで溶接されている。もちろん、これに限定されないがスレッドされた又はスエージ加工されたメカニズムを含む他の取付メカニズムも、適切な接合技法である。図４に、黒鉛製シース３１の詳細な断面図を示す。
【００２１】
ここで図５を参照すると、ポストの代替実施形態が図示されている。この実施形態では、ポスト１０１はまた、溶融金属環境からシース１０５によって保護されるロッド１０３を含んでいる。ロッド１０３は、ベース１０７のボア／空洞１０６中を通過して、キャップ１０９とロッド１０３中にそれぞれ対応する保持溝１１３と１１５を有するスナップリング１１１を含むキャップ１０９によって保持されている。さらに、ディスクバネ１１７とナット１１８が、プラットフォーム１１９と一致して存在し、これで、ロッド１０３にバイアスをシース１０５に圧縮力を印加している。
【００２２】
ここで図６、７及び８を見ると、ポストとベースを接合する代替技法が図示されている。例えば、図６では、ロッド２０１は、ベース２０５中を延長し、また、黒鉛製キャップ２０３がその上に固定されているスレッド付き端２０２を含んでいる。図７では、図６の実施形態が、窒化ボロン、シリコンカーバイド又は他の適切な材料から成る密封部材２０７と２０９を含むように修正されている。図８では、スレッド付きボア３０１が黒鉛製ポスト３０３の端に形成され、スレッド付き黒鉛製キャップ３０５がベース３０７中を上方に延長してポスト３０３の端と突き合っている代替実施形態が図示されている。各設計の利点は、ポストに対する張力を発生させて、セメントを構造的に使用する必要性無く自己整合メカニズムを提供する機能である。この点で、セメントが従来必要とされた熱膨張ギャップを提供することが可能である（図１１を参照）。
【００２３】
さらに、ベース２０５／３０７上の頂部と底部の表面にある凹部２１３と組み合わせてキャップ２０３／３０５上およびロッド２０１上の突起２１１を用いることによって、液密ジョイントが形成される。したがって、溶融金属はこのジョイントには入ることはなく、これによって、ポンプを再生する必要があるば場合に、ポストをベースから取り外すことが可能となる。
【００２４】
図６から８に示す本接合メカニズムは一般に鋼合金製ロッドを利用するという点で一致するものとして説明したが、ポストをベースに接合するこれらのメカニズムは、黒鉛製ポスト装置にも等しく応用可能であることに注意すべきである。そのうえ、図６から８に示す装置は、鋼及び黒鉛／セラミックの組合せ又は黒鉛／セラミックだけから成る部品で構成されているものと等しく考えられる。これらのアセンブリによる利点は、熱膨張不整合により良好に対処し得るポストとベース間のセメント製ジョイントの必要性が全くないという点である。
【００２５】
ここで図９に目を向けると、ポスト４０１がロッド４０３とシース４０５を含む、本発明の代替実施形態が図示されている。しかしながら、この実施形態では、シース４０５は、セグメント化された複数のユニットから成っている。この設計は、長尺チューブとは対照的にセグメント化された個別のユニット（Ａ〜Ｅ）を形成するのが容易であるため特に望ましい。また、ポスト４０１はバネ４０７と金属製カップリングユニット４０９が装備されており、これらは、モータ取付物（図示せず）と組み合わされて、シースセグメント（Ａ〜Ｅ）に対して圧縮力を生成する。この圧縮力の結果、液密シールが個別のユニットの各々同士間に提供され、また、間にガスケット材料（図示せず）を含むと密閉性が増す。最下方ユニットＥは、ベース４１５の頂部表面の凹部４１３中に位置付けされている円周突起４１１を含んでいる。したがって、液密シールが達成される。本書の他のすべての設計のように、セメント又は密封剤から成るビードをこの位置付けされた突起４１１の周りに置いて、好ましくない金属浸透からさらに保護するようにしても良い。
【００２６】
ここで図１０を参照すると、セグメント化されたシース５０１の代替実施形態が図示されている。この実施形態では、個別のユニットＡ〜Ｅの端表面は、協働して、適切な突き合い配置を達成するのを容易化するように輪郭を成している。この点で、検証可能な位置決め装置を提供して、各個別のセグメント間の金属密閉シールが確実に形成されるようにする。
【００２７】
ここで図１１に目を向けると、熱膨張の望ましい許容誤差と液密シールを達成するための好ましい構成との双方を実証するために、黒鉛製ポストを黒鉛製ベースに突き合わせる装置の詳細が図示されている。より詳細には、黒鉛製ポスト６０１は、ベースアセンブリ６０５の穴６０３中を通過する。スレッド付き黒鉛製キャップ６０７は、ポスト６０１の最下方部分に取り付けられている。ポスト６０１の頂部／底部界面及び／又はベース６０５へのキャップ６０７の双方に、協働突起６０９と凹部６１１が存在して、液密シールを形成している。ここで図１２を参照すると、突起と凹部の角度付き表面が図示されている。このようにして、液密突き合い表面が達成される。この突き合い表面は、ガスケット材料（図示せず）で充填されることがある。本発明のさらなる利点は、熱膨張用のギャップ６１３によって提供される許容誤差である。
【００２８】
ここで図１３〜１６を参照すると、セメントを使用せずに黒鉛製シャフトを黒鉛製ベースに固定する代替実施形態が図示されている。特に、図１３では、対応する７０２及び７０３とポスト７０４及びベース７０５との間にそれぞれ接合されるスナップリング７０１が図示されている。
【００２９】
図１４、１５及び１６は、その相対的偏心直径が接触するまでベースに対してポストが回転（この例では時計回り方向）し、前の偏心直径間のクリアランスが全く消滅するまでポストを少し変移させるカムタイプのロッキングメカニズムを図示している。これによって、ポストをベースに固定する部品を効果的に一緒に楔留めされる。より詳細には、ポスト８０１には、互いに異なった３つの直径セクション８０５、８０７及び８０９を有する段差付き端８０３が備えられている。ベース８１１は、ポスト８０１の端８０３を収納するボア８１３を含んでいる。ベース８１３は、互いに異なった３つの直径領域８１５、８１７及び８１９を含んでいる。セクション８０７と８１７は、対応するセクション８０５及び８０９並びに領域８１５及び８１９に対してそれぞれ偏心している。このようにして、ポスト８０１が回転すると、その結果、それぞれのセクションと領域が楔留めされ（図１６を参照）、また、ポスト８０１がベース８１１に効果的に突き合わされることになる。また、このカムロッキングメカニズムは、シャフトインペラアセンブリにも等しく応用可能であることに注意すべきである。
【００３０】
ここで図１７を参照すると、シャフトからインペラ／ロータ装置９０１が図示されている。要するに、図１を参照して図示して説明した設計と同じロッドとシースを用いる設計が採用されている。特に、インペラ９０３がロッド９０５に固定されている。ロッド９０５は、キャップ９０７をその下方端に含んでいるが、キャップ９０７はインペラ９０３の凹部９０９内に配置されている。キャップ９０７は、凹部９０９の上方表面のピークとバレー（図示せず）と突き合うギザギザの頂部表面（図示せず）を含むのが好ましい。この実施形態は、ガス抜き装置、攪拌装置、ポンピング装置及び浸漬装置に適している。ガス抜き実施形態は、ロッドを通過するボアを含む、すなわち、反応ガス又は他の適切な作用剤の導入を容易化するに十分なギャップをシースとロッド間に持つ可能性が極めて強いことに注意すべきである。
【００３１】
したがって、本発明によって、上記の目的、目標及び利点を完全に満足する溶融金属ポンプが提供されたことが明らかである。本発明はその特定の実施形態を参照して説明したが、上記の記述に関連する当業者には、多くの代替例、修正例及び変更例が明瞭であることが明らかであろう。したがって、このような代替例、修正例及び変更例はすべて、添付クレームの精神と広範な範囲に含まれることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による溶融金属ポンプの部分的に断面で示した前部立面図である。
【図２】 図１の、同様に部分的に断面で示した側部立面図である。
【図３】 図１のロッドの、部分的に断面で示した前部立面図である。
【図４】 図１の創意あるシースの、断面で示した前部立面図である。
【図５】 ポストの代替実施形態の、断面で示した前部立面図である。
【図６】 ポストとベースを位置付けする代替装置の、断面で示した前部立面図である。
【図７】 ポストとベースを位置付けする代替装置の、断面で示した前部立面図である。
【図８】 ポストとベースを位置付けする代替装置の、断面で示した前部立面図である。
【図９】 セグメント化されたポスト設計の、断面で示した前部立面図である。
【図１０】 代替のセグメント化シース設計の、断面で示した前部立面図である。
【図１１】 代替のポスト／ベース接合装置の、断面で示した分解側部立面図である。
【図１２】 液密ジョイントを示す図１１のセクションＡの分解図である。
【図１３】 ベースとポストの代替接合メカニズムの図である。
【図１４】 ベースとポストの代替接合メカニズムの図である。
【図１５】 ポストをベースに挿入できるように整合された偏心直径を持つ図１４のベースとポストの上面図である。
【図１６】 ロッキング配置を提供するためにポストが不整合直径に関連した図１４と１５のベースとポストの上面図である。
【図１７】 本発明によるシャフトインペラ装置の、部分的に断面で示した前部立面図である。

Claims (4)

1. ポンピング部材（７）と；
   前記ポンピング部材（７）を少なくとも部分的に封入するポンプ室（５）を画定するハウジングベース（３）と；
   プラットフォームアセンブリ（２２）上に位置付けされたモータ（１７）と；
   前記モータ（１７）と前記ポンピング部材（７）をその回転のために接続するシャフト（１９）と；
   前記プラットフォームアセンブリ（２２）と前記ハウジングベース（３）を内部接続する少なくとも１つのポスト（２７）であり、前記ポスト（２７）が耐火シース（３１）で囲まれた長尺のロッド（２９）を含み、前記ロッド（２９）が前記プラットフォームアセンブリ（２２）に接続された第１の端と前記ハウジングベース（３）の空洞（３７）に配置されたキャップ（３５）に固定された第２の端とを有する、少なくとも１つのポスト（２７）と；
   を備える、溶融金属のストリームを移動させる装置（１）。
2. 前記耐火シース（３１）は、前記プラットフォームアセンブリ（２２）と前記ハウジングベース３の間に圧縮保持される請求項１に記載の装置。
3. 前記耐火シース（３１）は、黒鉛製の耐熱性合金からなり、前記ロッド（２９）の端が前記耐火シースの外側に延長されている請求項１または２に記載の装置。
4. 溶融金属ポンプのガス抜き装置、撹拌装置又は浸漬装置に用いる請求項１〜３のいずれかに記載の装置。

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