JP4531780B2 - キャンドモータポンプにおけるポンプ取扱液の循環方法 - Google Patents

Description

本発明は、単段のメカニカルシール付き遠心ポンプのポンプケーシング及び羽根車を流用して、キャンドモータポンプに改造することに係り、その流用するポンプのポンプケーシング及び羽根車を追加工不要にし、キャンドモータの冷却及び軸受の潤滑・冷却を確実に行うことができ、更に、ポンプ効率及び吸込性能を向上させることができる、ポンプ取扱液の循環方式を有するキャンドモータポンプに関するものである。より詳しくは、本発明は、キャンドモータポンプにおけるポンプ取扱液の循環方法に関するものである。

既存のメカニカルシール付き遠心ポンプと比較して、キャンドモータポンプは、ポンプ取扱液が無漏洩、据付時の心出し不要、保守部品数が少ないなどの特長がある。そのため、環境保護、省エネルギー、省資源および省力化（省人化）を達成できるポンプの一つである。
環境保護および省力化のために、使用中である既設のメカニカルシール付き遠心ポンプを、そのポンプの吸込・吐出し配管をそのまま使用して、キャンドモータポンプへ改造する需要が出てきた。この場合、既設ポンプの吐出し量や全揚程などの能力を同一に維持する必要があり、また、省資源化のために、そのポンプのポンプケーシングと羽根車を再使用するのがよい。
また、新規にキャンドモータポンプを製作する場合でも、低コスト化およびリードタイム縮減のために、在庫している既存ポンプのポンプケーシングと羽根車を流用している。

図４は、既設や既存の単段のメカニカルシール付き遠心ポンプの一般的な構造を示す図である。図４に示すように、ポンプ部のポンプケーシング１の内部には、羽根車２が配置されているとともに、ポンプケーシング１の高圧側の開口部には、ケーシングカバー３が固着されている。
ケーシングカバー３の内部には、ロータ５の一端が挿通され、このロータ５の一端に、羽根車２及び軸スリーブ８ａがボルトを介して固定されている。ロータ５の中央付近には、ロータ５に作用する軸方向推力及び半径方向推力の自重を含めた荷重を支持するための軸受９ａ，９ｂが、軸受ケーシング１５内に配置されている。軸受ケーシング１５は、軸受９ａ，９ｂを介して、ロータ５を回転自在に支承している。また、ケーシングカバー３の内周には、ポンプ取扱液が、ポンプケーシング１の高圧側から大気側へ漏洩する量を最小限にするために、メカニカルシール１７が装着されている。
このような既設や既存のメカニカルシール付き遠心ポンプを、キャンドモータポンプに改造する場合には、キャンドモータの冷却及び軸受の潤滑・冷却のためのポンプ取扱液の循環方式が必要である。

キャンドモータの冷却及び軸受の潤滑・冷却を確実に行うために、図５に示すポンプ取扱液の循環方式がある。その方式について、以下に詳述する。
図５に示すように、ポンプ部のポンプケーシング１の内部には、羽根車２が配置されているとともに、ポンプケーシング１の高圧側の開口部には、ケーシングカバー３が固着されている。
ケーシングカバー３の内部には、ロータ５の一端が挿通され、このロータ５の一端に、ロータ５に嵌合されたディスタンスピース６、スラスト板７ａ、軸スリーブ８ａ及び羽根車２が、ボルト１９を介して固定されている。一方、ロータ５の他端には、スラスト板７ｂ及び軸スリーブ８ｂが、ボルト２０を介して固定されている。

ケーシングカバー３の内周面に、内方に突出する凸状部３ａを設けることにより、羽根車側の軸受９ａ、ケーシングカバー３、ディスタンスピース６及び軸スリーブ８ａとの間に、圧力液体室としての空間Ａを構成しているとともに、凸状部３ａの内周面とディスタンスピース６との間に、非接触の絞り機構４ａを形成している。すなわち、凸状部３ａは、その内周部がディスタンスピース６の外周面に、わずかの隙間をもって近接して、ここに流路ａを形成している。
そして、ケーシングカバー３の内部には、羽根車２によって昇圧したポンプ取扱液の一部を、空間（圧力液体室）Ａ内に導く流通穴３ｂを設けている。

更に、ケーシングカバー３の羽根車側端面に、スリーブ状に膨出する膨出部３ｃを形成することにより、この膨出部３ｃの内周面と羽根車２のボス部２ａとの間に、非接触の第２の絞り機構４ｂを構成している。すなわち、膨出部３ｃは、その内周面が羽根車２のボス部２ａの外周面に、わずかの隙間をもって近接して、ここに流路ｂを形成している。
同時に、この膨出部３ｃによって、第２の絞り機構４ｂをはさんで、ケーシングカバー３と羽根車２との間に、二つの空間Ｂ，Ｃを区画形成し、この空間Ｃが羽根車２のバランスホール２ｂを介して、ポンプの吸込側に連通するようになっている。

ロータ５は、その両側で、一対の軸受９ａ，９ｂを介して、回転自在に支承されている。そして、ロータ５のほぼ中央部に、モータ部の回転子１０が固着していて、回転子１０と羽根車側の軸受９ａとの間に空間Ｄ、回転子１０と羽根車と反対側の軸受９ｂとの間に空間Ｅ、エンドカバー１１と羽根車と反対側の軸受９ｂとの間に空間Ｆを、それぞれ形成している。

そして、羽根車側の軸受９ａと軸スリーブ８ａとの間に流路ｃ、羽根車側の軸受９ａの端面とスラスト板７ａとの間に流路ｄ、回転子１０のキャン１２ａと固定子１３のキャン１２ｂとの間に流路ｅ、羽根車と反対側の軸受９ｂの端面とスラスト板７ｂとの間に流路ｆ、羽根車と反対側の軸受９ｂと軸スリーブ８ｂとの間に流路ｇを、それぞれ構成している。

ロータ５の内部には、軸方向に貫通する貫通穴１４を形成していて、この貫通穴１４は、両端のボルト１９，２０を含んで両側に開口している。そして、この貫通穴１４によって、エンドカバー１１と羽根車と反対側の軸受９ｂとの間の空間Ｆとポンプの吸込側とが、互いに連通している。
軸受９ａ，９ｂにはともに、内周面に、ら旋状の溝と軸方向に沿って延びる溝とを設けている。また、軸受９ａ，９ｂのスラスト板７ａ，７ｂとの摺動面には、半径方向に延びる溝を設けている。

上記構造のキャンドモータポンプにおいて、ケーシングカバー３に設けた流通穴３ｂから、羽根車通過後の昇圧したポンプ取扱液を、圧力液体室を構成する空間Ａ内に導き、ここから二つの方向に流れる。
第１の流れは、第１の絞り機構４ａ、空間Ｂ、第２の絞り機構４ｂ、空間Ｃ及び羽根車２のバランスホール２ｂを順に通過して、ポンプの吸込側へ戻る流れである。第２の流れは、空間Ａから、流路ｃ、流路ｄ、空間Ｄ、流路ｅ、空間Ｅ、流路ｆ、流路ｇ、空間Ｆ及び貫通穴１４を順に通過して、ポンプの吸込側へ戻る流れである。

第１の流れも第２の流れも、それぞれ最後は、ポンプの吸込側へ通じているために、羽根車通過後の昇圧したポンプ取扱液は、空間Ａから、より低圧部であるポンプの吸込側へと流れ、第２の流れが、モータ部の冷却及び軸受９ａ，９ｂの潤滑・冷却を行う。
ここに、第１の流れ及び第２の流れに沿って流れるポンプ取扱液の循環量は、空間Ａの圧力と各流路ａ〜ｇの面積及び貫通穴１４の面積に大きく影響する。第１の流れも第２の流れも、それぞれ最後は、ポンプの吸込側へ通じているので、空間Ａ内の圧力は、流路ａ〜ｇ及び貫通穴１４のそれぞれの圧力損失に、吸込圧力を加算した大きさになる。

ここで、第１の流れ内に位置する空間Ｃ内の圧力は、羽根車２のバランスホール２ｂの面積を十分大きくすることにより、圧力損失をほとんどなくして、ほぼ吸込圧力とみなすことができる。第１の流れのポンプ取扱液の循環量は、主に流路ａ及び流路ｂの面積によって決まり、第２の流れのポンプ取扱液の循環量は、流路ｃ〜ｇの面積及び貫通穴１４の面積によって決まる。ここに、流路ｃ、流路ｄ、流路ｆ及び流路ｇについては、軸受９ａ，９ｂの内周面に設けたら旋状の溝や軸方向に延びる溝に加え、スラスト板７ａ，７ｂとの摺動面に設けた半径方向の溝による面積も含む。
これらの流路を構成するための各部の寸法は、モータ部の冷却及び軸受９ａ，９ｂの潤滑・冷却を確実に行うのに必要な循環量が得られるように決定されている。

次に、キャンドモータポンプの実際の運転中の状況について述べる。
摩耗に関しては、流路ａを構成する第１の絞り機構４ａの内周面、流路ｂを構成する第２の絞り機構４ｂの内周面、及び流路ｅを構成する回転子１０のキャン１２ａと固定子のキャン１２ｂとの間は、それぞれ非接触のため、循環液の流速による摩耗だけである。これに対して、流路ｃ、流路ｄ、流路ｆ及び流路ｇを構成するそれぞれの面は、接触して相対的に回転しているために、主に、軸受９ａ，９ｂの内周面の摩耗が徐々に増えていく。

しかしながら、羽根車側の軸受９ａにも羽根車と反対側の軸受９ｂにも、内周面にら旋状の溝と軸方向に沿って延びる溝とを設け、更には、スラスト板７ａ，７ｂとの摺動面には、半径方向に沿って延びる溝を設けているので、軸受９ａ，９ｂの内周面や端面が摩耗しても、これらの溝は摩耗することなく、したがって、空間Ａ内の圧力の大きさに影響を与える流路ｃ、流路ｄ、流路ｆ及び流路ｇのそれぞれの面積は、ほとんど増加しない。つまり、空間Ａ内の圧力は、軸受９ａ，９ｂの内周面や端面が摩耗しても、低下しない。
また、流路ａを構成する第１の絞り機構４ａの内周面、及び流路ｂを構成する第２の絞り機構４ｂの内周面は、非接触のため、摩耗がなく、このために、空間Ａ内の圧力も空間Ｂ内の圧力も、変化しない。

したがって、運転時間の経過とともに、第１の流れの循環量は、変わらないことに加え、第２の流れの循環量は、わずかではあるが増えていくために、モータ部の冷却及び軸受の潤滑・冷却を、運転時間の経過とともに、確実に行うことができる。
また、空間Ａ内の圧力も空間Ｂ内の圧力も、変化しないために、羽根車２に作用する軸推力が増加することがなく、これによって、軸受９ａ，９ｂの寿命の短命化を防止できる。
これらに加えて、第１の流れの循環量が、変化しないから、羽根車２のバランスホール２ｂを通過するポンプ取扱液の量も、また変わらず、羽根車２のバランスホール２ｂを通過するポンプ取扱液の流速にも、変化がないために、ポンプの吸込性能の低下を防止できる。

しかし、図５に示したポンプ取扱液の循環方式では、第２の絞り機構４ｂを構成するために、羽根車２のボス部２ａの外周面を追加工する必要がある。この加工費は、数千円であるが、使用中である既設ポンプの場合には、羽根車を加工工場まで運搬するための物流費などが加算されるので、コスト高になる。
単段のメカニカルシール付き遠心ポンプのポンプケーシング及び羽根車を追加工不要にするには、図５に示した第２の絞り機構４ｂを不要にする必要がある。その方法として、第１の絞り機構４ａの半径隙間をさらに小さくすればよいが、羽根車ライナ部の半径隙間以下にした場合には、相互に接触やかじりつきの危険がある。

本発明は、上述の問題を解決するためのもので、単段のメカニカルシール付き遠心ポンプのポンプケーシング及び羽根車を流用して、キャンドモータポンプに改造する場合に、その流用するポンプのポンプケーシング及び羽根車を追加工不要にし、キャンドモータの冷却及び軸受の潤滑・冷却を確実に行うことができ、更に、ポンプ効率及び吸込性能を向上させることができる、キャンドモータポンプにおけるポンプ取扱液の循環方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明は、単段のメカニカルシール付き遠心ポンプのポンプケーシング及び羽根車を流用して、該ポンプを改造することによって製作され、キャン封止したモータ回転子と羽根車を固着したロータ及び該ロータの両端に配置された軸受を備え、羽根車通過後の昇圧したポンプ取扱液で前記モータ回転子とキャン封止したモータ固定子を冷却するとともに前記各軸受の潤滑および冷却を行うように構成したキャンドモータポンプにおいて、該キャンドモータポンプに、前記羽根車側に位置する軸受に隣接して、羽根車通過後の昇圧された液の一部を内部に導く圧力液体室を設け、ケーシングカバーの内周部に固定された固定環の内周面と、軸スリーブと羽根車間に設けられたディスタンスピースの外周面とで形成された絞り機構を設け、前記キャンドモータポンプの運転直後に前記固定環の内周面と前記ディスタンスピースの外周面とを相互に接触させ、該ディスタンスピースの外周面を摩耗させて運転時間の経過とともに前記絞り機構に微小隙間を生じさせ、羽根車通過後の昇圧された液の一部を前記圧力液体室に導き、該圧力液体室の液体を二方向に分流して、一方を、羽根車側の軸受及びモータ回転子と固定子の空隙、更に、羽根車の反対側の軸受を経由して、ポンプ吸込側に戻し、他方を、前記絞り機構の微小隙間を介して、ポンプ吸込側へ戻すようにしたことを特徴とするものである。

本発明によれば、単段のメカニカルシール付き遠心ポンプを改造してキャンドモータポンプを製作する場合において、羽根車側に位置する軸受に隣接して、羽根車通過後の昇圧された液の一部を内部に導く圧力液体室を設けるとともに、圧力液体室に隣接して、ケーシングカバーの内周部に固定された固定環の内周面と、軸スリーブと羽根車間に設けられたディスタンスピースの外周面とで形成され、相互に接触可能な絞り機構を設けている。これにより、羽根車通過後の昇圧された液の一部は圧力液体室から絞り機構を介して羽根車背面へ戻るため、羽根車背面へ戻る環流流量を低減できる。
また、前記固定環はセラミックスからなる硬質材料であり、前記ディスタンスピースは硬質であり多孔質組織のセラミックスからなることを特徴とする。

本発明によれば、相互に接触可能な絞り機構を設けたことによって、羽根車背面へ戻る還流流量を低減できるので、還流流量用の循環用動力が低減し、ポンプ効率を向上できる。また、バランスホール室内への還流流量を低減できるので、バランスホールを通過して、羽根車入口部へ戻る流体の流速が低下し、羽根車入口へ吸込口から流入する流速に対して、逆流成分を低減するために、吸込性能を向上できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１及び図２は、本発明の第１実施形態のキャンドモータポンプを示す図であり、図１はキャンドモータポンプ全体の断面図、図２は図１の絞り機構部の拡大図である。従来例と同一または相当部分には、同一の符号を付して、その重複した説明を省略する。
図１に示すように、ポンプ部のポンプケーシング１の内部には、羽根車２が配置されているとともに、ポンプケーシング１の高圧側の開口部には、ケーシングカバー３が固着されている。
ケーシングカバー３の内部には、ロータ５の一端が挿通され、このロータ５の一端に、ロータ５に嵌合されたディスタンスピース６、スラスト板７ａ、軸スリーブ８ａ及び羽根車２が、ボルト１９を介して固定されている。一方、ロータ５の他端には、スラスト板７ｂ及び軸スリーブ８ｂが、ボルト２０を介して固定されている。

図１に示すように、ケーシングカバー３の内周部には、固定環１８を固着し、ディスタンスピース６とともに、相互に接触可能な絞り機構４ａを形成している。固定環１８の材料は、例えば、セラミックスのような硬質材料であるが、ディスタンスピース６の材料は、例えば、硬質であり多孔質組織のセラミックスにしている。固定環１８の内周面が、ディスタンスピース６の外周面に接触した場合に、ディスタンスピース６の外周面が摩耗して削れるようにするためである。

固定環１８とディスタンスピース６の摺動部の半径隙間は、組み込み可能な程度（直径３０ｍｍ未満では、約０．０２ｍｍ、直径３０〜１００ｍｍでは、０．０２〜０．０５ｍｍ、それを超えたら、約０．１ｍｍ）に製作して、キャンドモータポンプに組み込み、このポンプの運転直後は、振動などによって、ロータ５が振れ回るために、固定環１８とディスタンスピース６は相互に接触する。そして、ディスタンスピース６の外周面が摩耗して削れ、運転経過時間とともに、非接触になり、微小隙間を保持できる。

上記構造のキャンドモータポンプにおいて、ケーシングカバー３に設けた流通穴３ｂから、羽根車通過後の昇圧したポンプ取扱液を、圧力液体室を構成する空間Ａ内に導き、ここから二つの方向に流れる。
第１の流れは、絞り機構４ａ、空間Ｃ及び羽根車２のバランスホール２ｂを順に通過して、ポンプの吸込側へ戻る流れである。第２の流れは、空間Ａから、流路ｃ、流路ｄ、空間Ｄ、流路ｅ、空間Ｅ、流路ｆ、流路ｇ、空間Ｆ及び貫通穴１４を順に通過して、ポンプの吸込側へ戻る流れである。

上述したように構成することによって、従来のポンプ取扱液の循環方式を有するキャンドモータポンプと比較して、ポンプ効率及び吸込性能が向上できる。以下に、その理由を詳述する。
図１に示した絞り機構４ａ、図５に示した第１の絞り機構４ａと第２の絞り機構４ｂのような、溝がない円筒形の隙間を流れる流量Ｑは、日本機械学会編による機械工学便覧に記載の下記の式１を用いて、計算できる。
Ｑ＝Ｃ×Ａ×（２×ｇ×ΔＨ）^１／２ ………… 式１
ここに、
Ｃ ：流量係数
Ａ ：隙間の面積
ｇ ：重力加速度
ΔＨ：差圧
である。

また、同便覧から、流量係数Ｃは、
Ｃ＝１／｛λ×Ｌ／（２×ｂ）＋１．５｝^１／２ ……… 式２
ここに、
λ ：摩擦係数
Ｌ ：隙間の長さ
ｂ ：半径隙間
である。

摩擦係数λは、隙間内を流れる液体のレイノルズ数Ｒｅの関数になり、次式で計算できる。
Ｒｅ＝ｕ×ｄ／ν …………… 式３
ここに、
ｕ ：隙間内流速
ｄ ：隙間部の直径
ν ：動粘度
である。

式１乃至式３の変数のうち、重力加速度ｇは定数であり、隙間の長さＬ、半径隙間ｂ及び隙間部の直径ｄは、ポンプを特定すれば定数であり、隙間の面積Ａは、隙間部の直径ｄ及び半径隙間ｂから計算でき、動粘度νは、ポンプの取扱液を特定すれば定数である。しかし、残りの変数、隙間内流速ｕ、摩擦係数λ、差圧ΔＨは、特定できない。隙間内流速ｕが判れば、レイノルズ数Ｒｅを計算し、ムーディ線図から、摩擦係数λを得て、流量係数Ｃを計算できる。そして、差圧ΔＨがわかれば、流量Ｑを計算できる。

そこで、流量Ｑを計算するために、図５に示したキャンドモータポンプを使用して、常温清水でポンプを運転しながら、各部の圧力を測定した。図６は図５に示すキャンドモータポンプにおける絞り機構の流量を計測するための変数名を示す図である。図６に示すように、このポンプの諸元は、羽根車外径Ｄ２＝１９８ｍｍ、第１の絞り機構４ａの直径ｄ１＝３０ｍｍ、隙間の長さＬ１＝１２ｍｍ、半径隙間ｂ１＝０．２５ｍｍ、第２の絞り機構４ｂの直径ｄ２＝３５ｍｍ、隙間の長さＬ２＝１２ｍｍ、半径隙間ｂ２＝０．２５ｍｍである。
圧力測定の結果から、最高効率点における各部の差圧は、第１の絞り機構４ａ部では、ΔＨ１＝１１ｍ、第２の絞り機構４ｂでは、ΔＨ２＝１１ｍであった。

ここで、流量Ｑ０を仮定して、隙間内流速ｕを計算し、レイノルズ数Ｒｅを求める。求めたレイノルズ数Ｒｅから、ムーディ線図上で、摩擦係数λを読み取り、流量係数Ｃを計算して、圧力測定の結果から得た差圧を流用して、流量Ｑを計算する。そして、この流量Ｑを仮定した流量Ｑ０と比較して、異なっていれば、流量Ｑ０を流量Ｑに置換して、再計算し、両方が一致するまで、繰り返し計算する。両方が一致した時に、正確な流量係数Ｃが決定される。

上述した計算式で計算すると、最高効率点における羽根車背面へ戻る還流流量は、従来例では、約１５Ｌ（リットル）／ｍｉｎ（分）である。図３（ａ）は、本発明における絞り機構の流量を計算するための変数名を示す図である。上述した計算式で計算すると、最高効率点における羽根車背面へ戻る還流流量は、本発明では、約２Ｌ（リットル）／ｍｉｎ（分）である。したがって、本発明によって、羽根車背面へ戻る還流流量を低減できる。
また、計算結果は省略するが、図３（ｂ）に示すように、固定環１８における絞り部の突起１８ａの数を２個以上にすれば、更に、還流流量を低減できる。

本発明の第１実施形態のキャンドモータポンプを示す断面図である。 図１の絞り機構を拡大して示す拡大図である。 図３（ａ）は本発明における絞り機構の流量を計算するための変数名を示す図であり、図３（ｂ）は本発明の絞り機構の他の例を示す図である。 既設や既存のメカニカルシール付きポンプを示す断面図である。 従来のキャンドモータポンプを示す断面図である。 従来における絞り機構の流量を計算するための変数名を示す図である。

符号の説明

１ ポンプケーシング
２ 羽根車
３ ケーシングカバー
５ ロータ
６ ディスタンスピース
７ａ，７ｂ スラスト板
８ａ，８ｂ 軸スリーブ
９ａ，９ｂ 軸受
１０ 回転子
１１ エンドカバー
１２ａ，１２ｂ キャン
１３ 固定子
１４ 貫通穴

Claims (2)

1. 単段のメカニカルシール付き遠心ポンプのポンプケーシング及び羽根車を流用して、該ポンプを改造することによって製作され、キャン封止したモータ回転子と羽根車を固着したロータ及び該ロータの両端に配置された軸受を備え、羽根車通過後の昇圧したポンプ取扱液で前記モータ回転子とキャン封止したモータ固定子を冷却するとともに前記各軸受の潤滑および冷却を行うように構成したキャンドモータポンプにおいて、
   該キャンドモータポンプに、前記羽根車側に位置する軸受に隣接して、羽根車通過後の昇圧された液の一部を内部に導く圧力液体室を設け、ケーシングカバーの内周部に固定された固定環の内周面と、軸スリーブと羽根車間に設けられたディスタンスピースの外周面とで形成された絞り機構を設け、
   前記キャンドモータポンプの運転直後に前記固定環の内周面と前記ディスタンスピースの外周面とを相互に接触させ、該ディスタンスピースの外周面を摩耗させて運転時間の経過とともに前記絞り機構に微小隙間を生じさせ、羽根車通過後の昇圧された液の一部を前記圧力液体室に導き、該圧力液体室の液体を二方向に分流して、一方を、羽根車側の軸受及びモータ回転子と固定子の空隙、更に、羽根車の反対側の軸受を経由して、ポンプ吸込側に戻し、他方を、前記絞り機構の微小隙間を介して、ポンプ吸込側へ戻すようにしたことを特徴とするキャンドモータポンプにおけるポンプ取扱液の循環方法。
2. 前記固定環はセラミックスからなる硬質材料であり、前記ディスタンスピースは硬質であり多孔質組織のセラミックスからなることを特徴とする請求項１記載のキャンドモータポンプにおけるポンプ取扱液の循環方法。

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