JP5330278B2 - マグネシウム給湯ポンプおよびマグネシウム給湯ポンプの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、マグネシウム給湯ポンプに関する。

近年、自動車や電子機器の筐体に利用可能な金属材料として、軽量性と高剛性を併せ持つマグネシウムおよびその合金が着目されている。マグネシウムを鋳造する際には、マグネシウムのインゴット、リターン材、端材、ＮＧ材などの材料を加熱により溶湯化し、それを坩堝やタンクなどの容器から給湯ポンプでくみ上げて成形機へと供給する。マグネシウム給湯ポンプとしては、電磁ポンプを用いたもの、ピストンを用いたもの、ガス加圧を用いたものなどが知られている。

特開２０００−１２６８６１号公報 特開２００１−９５６１号公報 特開２００３−１１７６４９号公報 特開２００１−１３１６５０号公報

マグネシウム給湯ポンプは、成形機に対して、一定量のマグネシウム溶湯を供給する必要があり、給湯精度が製品の品質やランニングコストに大きく影響する。給湯精度の観点から見ると、ピストン型のポンプが優れているが、コストが高く、メンテナンス性が低いという問題がある。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、高給湯精度を有するマグネシウム給湯ポンプの提供にある。

本発明のある態様は、マグネシウム給湯ポンプに関する。マグネシウム給湯ポンプは、容器に貯蔵されるマグネシウム溶湯を湯道管へと輸送するベーンポンプと、ベーンポンプのローターの回転数を制御する制御部と、を備える。制御部は、容器内のマグネシウム溶湯の湯面高さに応じてローターの回転数を変化させる。

この態様によると、低コストでメンテナンス性の高いベーンポンプを用いて、高い精度で溶湯を吐出することができる。

制御部は、一定時間ローターを回転させる運転期間と、ローターを停止する停止期間とを交互に繰り返す間欠運転を行ってもよい。制御部は、運転期間ごとに、ローターの回転数を高くしてもよい。

制御部は、基準となる湯面高さと現在の湯面高さの差がΔｈであるとき、回転数Ｎを、 Δｈ＝ａ×Ｎ^２＋ｂ （ただしａ、ｂは実数）
を満たすように決定してもよい。

本発明の別の態様は、容器に貯蔵されるマグネシウム溶湯を湯道管へと輸送するベーンポンプの制御方法に関する。この方法は、基準となる湯面高さと現在の湯面高さとの差分Δｈを取得するステップと、差分Δｈに応じて、ベーンポンプのローターの回転数を制御するステップと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、高精度でマグネシウム溶湯を給湯できる。

実施の形態に係るマグネシウム給湯装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る給湯ポンプの正面断面図である。 実施の形態に係る給湯ポンプの平面図である。 実施の形態に係る給湯ポンプの左側面図である 実施の形態に係る給湯ポンプのＡ−Ａ線断面図である。 変形例に係る給湯ポンプの左側面図である。 図１のマグネシウム給湯装置の湯面変化を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るマグネシウム給湯装置の構成を示す図である。マグネシウム給湯装置１００は、主として湯道管１０２、容器（坩堝）１０４、給湯ポンプ１０６、制御部１２０を備える。インゴット投入室１０８には、図示しないインゴット予熱装置によって加熱されたマグネシウムのインゴットやリターン材など（以下、インゴット等、あるいは材料という）が適宜投入される。インゴット投入室１０８は、容器１０４の内部の溶解室１１０と連通しており、溶解室１１０には溶解したマグネシウム（もしくはその合金）の溶湯１１４が貯蔵される。ヒーター１１２は、溶湯１１４の温度を制御するために設けられる。

可動式仕切り板１１６は、溶解室１１０のドロスが給湯ポンプ１０６側に流出するのを防止するために、インゴット投入室１０８と給湯ポンプ１０６を隔てる隔壁として機能する。可動式仕切り板１１６によって、給湯ポンプ１０６が溶解前のマグネシウムによって損傷するのを防止することができる。

給湯ポンプ１０６は、容器１０４に対して着脱可能となっている。給湯ポンプ１０６はいわゆるベーンポンプであり、容器１０４に貯蔵されるマグネシウム溶湯を、湯道管１０２へと送出する。給湯ポンプ１０６は、主としてモータ１、インペラ用シャフト１０、ポンプケーシング１１、インペラ１２を備える。

インペラ１２は、同心放射状に配置される複数枚のベーン（羽）を備え、その中心がインペラ用シャフト１０の一端に連結されている。インペラ用シャフト１０の他端は、モータ１のロータと接続されている。モータ１を回転させることにより、ポンプケーシング１１の内部でインペラ１２が回転し、ポンプケーシング１１の内部の溶湯１１４が湯道管１０２側へと輸送される。湯道管１０２は、給湯ポンプ１０６に対して固定されていてもよいが、着脱可能に構成することが望ましい。また湯道管１０２の形状は特に限定されないが、サイホン型を用いてもよい。

制御部１２０は、給湯ポンプ１０６のモータ１の回転数を制御し、湯道管１０２から吐出される溶湯１１４の量を制御する。制御部１２０によるモータ１の制御については後述する。なお、ポンプケーシング１１の位置は、容器１０４のさらに底部よりであってもよい。

以上がマグネシウム給湯装置１００の全体構成である。続いて給湯ポンプ１０６の詳細な構成を説明する。図２〜図５は、実施の形態に係る給湯ポンプ１０６の構成を示す図である。図２は正面断面図を、図３は平面図を、図４は左側面図を、図５はＡ−Ａ線断面図を示す。

モータ１はモータ取付フランジ２に締結される。モータ１のローターは、インペラ用シャフト１０と接続されている。モータ取付フランジ２は中間パイプ４と締結される。中間パイプ４の内部には、ベアリングケース３および断熱材・ベアリングケース５が設けられる。ベアリングケース３および断熱材・ベアリングケース５は、インペラ用シャフト１０の軸方向を固定しつつ支持する。

ベアリングケース３と断熱材・ベアリングケース５は、中間パイプ４の２カ所に設けることが望ましい。２カ所でインペラ用シャフト１０を支持することにより、インペラ用シャフト１０のブレを低減することができ、それにより吐出量を安定化できる。具体的には、１個のベアリングを用いた場合、±５％程度の精度が得られるのに対して、２個のベアリングを用いた場合には、±３％以下の高精度を得ることができる。またベアリングを２個用いることにより、給湯ポンプ１０６の振動を抑制し、音響的なノイズも低減することができる。

ジョイントスリーブ６は中間パイプ４とポンプベースプレート７とを着脱可能にジョイントする。ポンプベースプレート７には湯道管１０２を挿入するための湯道管差込口１５が開口されている。ポンプ取付ベース８を介して、給湯ポンプ１０６は図１の容器１０４に対して固定される。

ポンプケーシング１１は、複数のロッド９を介してポンプ取付ベース８に対して固定される。ポンプケーシング１１の上面は開口１７が設けられており、この開口１７から溶湯１１４がポンプケーシング１１内に流れ込む。ポンプケーシング１１の底部にはポンプ蓋１３が設けられる。ポンプ蓋１３の中央にも開口１８が設けられており、この開口１８から、ポンプケーシング１１内に貯まったスラッジが排出される。さらにポンプケーシング１１には、湯道管１０２を挿入するための湯道管差込口１６が設けられる。

インペラ１２はインペラ用シャフト１０によって軸支されており、モータ１の回転に応じてインペラ１２が回転する。インペラ１２が回転するとポンプケーシング１１内の溶湯１１４がジョイントスリーブ６に連結された湯道管１０２を介して送出される。

実使用時において、容器１０４の湯面のマグネシウムが活性化し、あるいは溶湯内からの析出によってドロスが発生し、それらが沈殿物（スラッジ）として容器１０４の底部に蓄積する。沈殿物がインペラ１２内に入り込むと、インペラ１２が回転しなくなったり、損傷のおそれがある。これを防止するために、インペラ１２の底面を開口１８よりも径の大きな円盤状とし、ポンプ蓋１３側の開口１８からの沈殿物の流入を防止している。

さらにポンプケーシング１１の上部には円盤状のプレート１４が設けられる。プレート１４の径は、開口１７を完全に覆うように決定される。プレート１４の取付高さは、ポンプケーシング１１から３ｃｍ〜１０ｃｍの範囲が好ましく、図２では５ｃｍ程度の箇所に取り付けられる。プレート１４を設けることにより、ポンプケーシング１１に対する開口１７からの沈殿物の流入、もしくは開口１７の詰まりを低減することができる。また沈殿物の流入が抑制されることから吐出量の精度を高めることができる。

図６は、変形例に係る給湯ポンプ１０６ａの左側面図である。図６の給湯ポンプ１０６ａにおいて、ロッド９は、上側ロッド９ａと下側ロッド９ｂに分割されている。そして対応するロッド９ａと９ｂは、ジョイントスリーブ１９によって接続される。分割の位置は、溶湯１１４の湯面として想定される高さである。つまり、ジョイントスリーブ１９によって、ロッド９ａと９ｂが湯面に晒されるのを防いでいる。湯面の高さは、インゴットの投入や給湯ポンプ１０６による溶湯１１４の送出に応じて変化する。したがってジョイントスリーブ１９の長さは、湯面として想定される範囲２０をカバーするように決定される。

溶解室１１０内の溶湯１１４の上部には、カバーガス（不活性ガス）が充填されている。しかしながら現実には、熱によってカバーガスは分解・活性化し、カバーガスと接触する湯面付近のロッド９やインペラ用シャフト１０が腐食、摩耗する。図６の給湯ポンプ１０６ａによれば、ジョイントスリーブ１９が湯面と接触するため、ジョイントスリーブ１９を交換すれば済む。つまり、ロッド９を交換する必要がないため、メンテナンスが容易となり、維持コストを下げることができる。一方、インペラ用シャフト１０にジョイントスリーブを設けると、吐出量の安定性を損なうおそれがあるため、スリーブ式とはしていない。したがってインペラ用シャフト１０については、摩耗する度に交換する必要があるが、ロッド９ほどはコストも手間も問題とはならない。
必要十分な吐出量の精度が得られる場合には、インペラ用シャフト１０もロッド９と同様に分割し、湯面接触部分をジョイントスリーブにより接続してもよい。

続いて、図１の制御部１２０による給湯ポンプ１０６の制御方法を説明する。制御部１２０は、容器１０４内の溶湯１１４の湯面高さに応じて、モータ１の回転数を変化させる。

制御部１２０は、モータ１を一定時間回転させる運転期間と、モータ１を停止する停止期間とを交互に繰り返す間欠運転を行う。１回の運転期間による溶湯１１４の吐出を、１ショットと称する。

図７は、図１のマグネシウム給湯装置１００の湯面変化を示す図である。初期状態において、湯面高さはＨ［ｍｍ］（以下、基準高さという）である。そして１ショットごとに、湯面高さはｈ_１、ｈ_２、ｈ_３・・・［ｍｍ］と順に変化していく。ここで各ショット後の湯面高さｈと基準高さＨとの差分をΔＨ［ｍｍ］と書く。

理想的には、溶湯１１４の吐出量はすべてのショットで一定であることが望ましい。しかしながら現実的には、ポンプの能力は、湯道管１０２内の溶湯の高さレベルに応じて変化するため、吐出時間を一定に保った場合、ショットごとに湯面高さが減少するにしたがって吐出量も減少していく。一般的にはインゴット等の材料の投入を制御することにより湯面高さを一定に保つように配慮されているが、すべてのショットにおいて湯面高さが変化しないように制御することは現実的には困難である。

そこでこの問題を解決するために、制御部１２０は、運転期間におけるモータ１の回転数をショットごとに高くする。

制御部１２０は、基準湯面高さＨと現在の湯面高さｈの差（変化量）がΔｈ（＝Ｈ−ｈ）であるとき、回転数Ｎを、
Δｈ＝ａ×Ｎ^２＋ｂ （ただしａ、ｂは実数） …（１）
を満たすように決定する。

容器１０４の表面積をＳ［ｍｍ^２］であり、吐出量Ｖ［ｍｍ^３］が一定であると仮定すると、ショットごとの湯面高さの変化は、
Δｈｓ＝Ｖ／Ｓ ［ｍｍ］
で与えられる。そしてｋショット目の高さ変化量Δｈ_ｋは、
Δｈ_ｋ＝ｋ×Δｈｓ ［ｍｍ］
となる。表面積Ｓおよび吐出量Ｖはいずれも既知であるから、制御部１２０は各ショットにおける湯面高さｈおよび変化量Δｈをトレースすることができる。そして変化量Δｈに応じてモータの回転数を補正する。式（１）におけるパラメータａ、ｂは、マグネシウム給湯装置１００を用いて実験することにより最適化することができる。

なお制御部１２０は、湯面高さの変化Δｈを取得するために、湯面高さのセンサを備えてもよい。またインゴット等の投入により湯面高さが上昇した場合、制御部１２０はモータの回転数を初期値にリセットし、同様の処理を繰り返す。投入されるマグネシウム材料の体積は既知であるから、湯面高さの上昇量は計算により取得できる。制御部１２０には、インゴット等の投入を知らせる通知信号が入力されてもよい。なお、湯面高さｈは、センサによって測定してもよい。

この制御を行うことにより、ショットごとの吐出量の精度を従来よりも大幅に改善することができる。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…マグネシウム給湯装置、１０２…湯道管、１０４…容器、１０６…給湯ポンプ、１０８…インゴット投入室、１１０…溶解室、１１２…ヒーター、１１４…溶湯、１１６…可動式仕切り板、１２０…制御部、１…モータ、２…モータ取付フランジ、３…ベアリングケース、４…中間パイプ、５…断熱材・ベアリングケース、６…ジョイントスリーブ、７…ポンプベースプレート、８…ポンプ取付ベース、９…ロッド、１０…インペラ用シャフト、１１…ポンプケーシング、１２…インペラ、１３…ポンプ蓋、１４…プレート、１５，１６…湯道管差込口、１７，１８…開口、１９…ジョイントスリーブ。

Claims (2)

1. 容器に貯蔵されるマグネシウム溶湯を湯道管へと輸送するベーンポンプと、
   前記ベーンポンプのローターの回転数を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、一定時間、前記ローターを回転させる運転期間と、前記ローターを停止する停止期間とを交互に繰り返す間欠運転を行い、運転期間ごとに前記ローターの回転数を高くするものであり、
   前記制御部は、前記容器内の前記マグネシウム溶湯の湯面高さに応じて前記ローターの回転数を変化させるものであり、基準となる湯面高さと現在の湯面高さの差がΔｈ［ｍｍ］であるとき、回転数Ｎ［ｒｐｍ］を、
   Δｈ＝ａ×Ｎ ^２ ＋ｂ （ただしａ、ｂは実数）
   を満たすように決定することを特徴とするマグネシウム給湯ポンプ。
2. 容器に貯蔵されるマグネシウム溶湯を湯道管へと輸送するベーンポンプの制御方法であって、
   一定時間、前記ベーンポンプのローターを回転させる運転期間と、前記ローターを停止する停止期間とを交互に繰り返す間欠運転を行うステップと、
   基準となる湯面高さと現在の湯面高さとの差分Δｈ［ｍｍ］を取得するステップと、
   運転期間ごとに前記ローターの回転数を高くするステップであって、前記差分Δｈに応じて、
   Δｈ＝ａ×Ｎ ^２ ＋ｂ （ただしａ、ｂは実数）
   を満たすように、前記ベーンポンプのローターの回転数Ｎ［ｒｐｍ］を制御するステップと、
   を備えることを特徴とする制御方法。

Images