JP5582805B2

JP5582805B2 - 遠心ポンプ

Info

Publication number: JP5582805B2
Application number: JP2010021222A
Authority: JP
Inventors: 英男星; 祥吾中島; 達哉日高; 康晴山本; 剛大久保
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: JP2011157896A

Description

本発明は、磁気カップリングにより羽根車を駆動して液体に圧力を与える遠心ポンプに係り、特に、微粒子を含む薬液等の液体や固着しやすい薬液等の液体に好適な遠心ポンプに関する。

従来、一般的なポンプは、ポンプ室内の流体が軸部から外部へ漏出することを防止するために、そして、外部から空気等を吸い込むことを防止するために、軸シール機構（軸封装置）を有している。軸シール機構としては、グランドパッキン、ラビリンス、メカニカルシール等が実用化されており、ポンプの運転環境やコスト等により選定されている。
また、上述したポンプの中には遠心ポンプがあり、ケーシング内で羽根車を回転させることにより、流体に対して遠心力で半径方向に圧力エネルギーまたは速度エネルギーを与えるように構成されている。

上述した遠心ポンプには、永久磁石がポンプロータの強磁性範囲へ半径方向に作用することで、ポンプロータを安定化させて回転駆動するものがある。（たとえば、特許文献１参照）
また、羽根車の軸部に永久磁石を設け、ケーシング側に設けた回転磁界を発生する駆動装置により羽根車を回転させる人工心臓用遠心ポンプが知られている。この場合、羽根車はピボット軸受により支持されており、ピボット軸及びピボット受けの材質には、たとえばセラミックスと超高分子量ポリエチレンとの組合せのように、硬度の異なる材質を選択することが開示されている。（たとえば、特許文献２参照）

特許第２８６９８８６号公報特開２００２−３４９４８２号公報

ところで、軸シール機構を備えた遠心ポンプは、軸シール部品からの漏れ発生、摩耗や摩擦の発生、及び耐熱温度や耐圧の制限といった問題を有している。このため、軸シール機構が不要で、しかも漏れのない遠心ポンプの開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、軸シール機構が不要で漏れのない遠心ポンプを提供することにある。特に、本発明の目的は、微粒子を含む薬液等の液体や固着しやすい薬液等の液体に好適であり、しかも、容易に小型化できる構造の遠心ポンプを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る遠心ポンプは、液体の流入口及び流出口を備えたポンプ室を形成するケーシングと、前記ポンプ室の内部に配設されてピボット軸受により回転可能に支持されている羽根車と、前記羽根車に内蔵させた永久磁石を隔壁越しに回転駆動させる磁気カップリング装置とを備え、前記ケーシングに対して回転軸線方向に支持されている前記羽根車を前記磁気カップリング装置により駆動し、前記流入口を介して回転軸線方向の上方から導入した液体に圧力を与えて前記流出口から半径方向へ送出するように構成されたシールレス型の遠心ポンプにおいて、前記ピボット軸受が、前記羽根車の回転軸中心に位置するピボット軸と、前記流入口の軸中心線上に設けた前記ケーシング側の軸受部とを備え、かつ、前記磁気カップリング装置が回転軸中心へ向けて羽根車回転面から前記流入口側へ上向きに傾斜する線上に配置されていることを特徴とするものである。

このような本発明の遠心ポンプによれば、ピボット軸受が、羽根車の回転軸中心に位置するピボット軸と、流入口の軸中心線上に設けたケーシング側の軸受部とを備え、かつ、磁気カップリング装置が羽根車回転面から回転軸中心へ向けて流入口側へ上向きに傾斜する線上に配置されているので、磁気カップリング装置は、羽根車の回転面から上向きに傾斜配置された状態となる。このため、磁気カップリングの磁力により、ピボット軸受に対して傾斜角度に応じたスラスト力が作用するので、このスラスト力によってピボット軸は軸受部に押し付けられる。すなわち、磁気カップリング装置を回転軸中心へ向けて流入口側へ上向きに傾斜する線上に配置したことにより、磁気カップリング装置の磁力は、回転軸線方向にピボット軸を押圧するスラスト力の分力と、羽根車回転面方向外向きとなるラジアル力の分力とに分解され、ピボット軸受に作用するスラスト力が羽根車の回転を安定させる。

上記の発明において、前記ピボット軸受は、少なくとも前記ピボット軸の一部が前記羽根車より前記流入口側へ突出していることが好ましく、これにより、流速の高い流入口側に設置されたピボット軸受は、流入口から導入される流体により効率よく冷却される。

上記の発明において、前記羽根車及び前記ケーシングの対向面は、停止状態で接触する可能性を有する領域に対し少なくとも一方の表面に低摩擦処理が施されていることが好ましく、これにより、ポンプ室内に液体のない状態から始動される空運転時において、羽根車をスムーズに回転させて始動することが可能になる。

上述した本発明によれば、磁気カップリング装置を回転軸中心へ向けて流入口側へ傾斜する線上に配置し、磁気カップリング装置の磁力が回転軸線方向にピボット軸を押圧するスラスト力を生じるように構成したので、ピボット軸受に作用するスラスト力が羽根車の回転を安定させることにより、軸シール機構を用いることなく漏れのない小型の遠心ポンプを容易に提供することができる。
また、磁気カップリング装置により駆動されて軸シール機構のない遠心ポンプは、液体中の微粒子が破損しにくい構造及び液体が固着しにくい構造となるので、微粒子を含む薬液等の液体や固着しやすい薬液等の液体に好適なポンプとなる。

本発明に係る遠心ポンプの一実施形態を示す縦断面図（回転軸線方向の断面図）である。磁気カップリング装置により発生する磁力の分解図及びピボット軸に作用するスラスト力を示す説明図である。羽根車に傾きが生じた場合に磁気カップリング装置により作用する復元力の説明図である。羽根車及びケーシングの対向面に施される低摩擦処理の構成例を示す要部拡大図である。

以下、本発明に係る遠心ポンプの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態の遠心ポンプ１は、液体の流入口１１及び流出口（不図示）を備えたポンプ室１２を形成するケーシング１０と、ポンプ室１２の内部に配設されてピボット軸受２０により回転可能に支持されている羽根車３０と、羽根車３０に内蔵させた永久磁石４１をケーシング１０の隔壁越しに回転駆動させる磁気カップリング装置４０とを具備して構成される。

ケーシング１０は、羽根車３０の回転軸中心と同軸の流入口１１から液体を導入し、羽根車３０の回転により昇圧するポンプ室１２を形成している。このポンプ室１２内で昇圧された液体は、ポンプ室１２に設けられている流出口から羽根車３０の半径方向へ送出される。すなわち、羽根車３０は、ケーシング１０のポンプ室１２内において、流入口１１の軸中心線と一致する回転軸となるピボット軸受２０に支持されて回転する。図示の構成例では、羽根車３０が水平面上で回転し、流入口１１は、羽根車３０の回転面（水平面）と直交する鉛直線上で、かつ、羽根車回転面の上方に配置されている。

ピボット軸受２０は、羽根車３０の回転軸中心に位置するピボット軸２１と、流入口１１の軸中心線上に設けたケーシング１０側の軸受部２２とを備えている。
羽根車３０側に支持部材２３を介して固定支持されたピボット軸２１には、たとえばアルミナセラミックスや浸炭窒化チタン合金等のように、低摩擦性能、水潤滑性能及び耐食性に優れた素材が採用されている。この場合の羽根車３０は、ピボット軸２１と羽根車３０との間が支持部材２３により連結されている。
一方、ケーシング１０側に固定支持されている軸受部２２には、たとえば超高分子量ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂材等のように、低摩擦性及び耐摩耗性に優れた素材が作用されている。

また、ピボット軸受２０は、凹型曲面を有する軸受部２２が、略同形状の凸型曲面を有するピボット軸２１を回転自在に支持する構造とされ、図示の構成例では、羽根車３０の回転軸線上においてピボット軸２１の下面を軸受部２２が一点支持するように構成されている。この場合の軸受部２２は、ケーシング１０に設けた軸受支持部１３に固定支持されている。
軸受支持部１３は、羽根車３０の回転軸線上でケーシング１０の内面を流入口１１側へ突出させた部分であり、羽根車３０の中心部を略貫通する位置まで設けられている。

羽根車３０は、羽根車本体３１に複数の羽根部３２を取り付けたものである。図示の構成例では、略中空円柱形状とした羽根車本体３１の流入口側端面に、複数の羽根部３２が半径方向へ放射状に取り付けられている。
このように構成された羽根車３０は、ケーシング１０に対して、ピボット軸受２０を介して回転軸線方向に支持され、かつ、後述する磁気カップリング装置４０の駆動力により回転軸線を中心に回転可能に支持されている。

磁気カップリング装置４０は、羽根車３０に内蔵された永久磁石４１と、ケーシング１０の外周部を回転する駆動側磁石４２とを具備して構成される。なお、永久磁石４１や駆動磁石４２に好適な磁石としては、たとえば最も強力といわれるネオジム磁石が遠心ポンプ１の小型化に有効である。
図示の構成例では、複数の永久磁石４１が羽根車本体３１の内部に周方向へ等ピッチに埋設されている。
駆動磁石４２は、図示しない駆動源に連結された回転軸４３と一体に回転するロータ４４に対し、複数が周方向へ等ピッチに固定設置されている。

本実施形態における磁気カップリング装置４０は、羽根車３０の回転軸中心へ向けて、羽根車回転面から流入口１１側へ傾斜する線上に配置されている。すなわち、磁気カップリング装置４０は、羽根車３０の回転面から傾斜配置された状態となる。換言すれば、磁気カップリング装置４０は、永久磁石４１及び駆動磁石４２が羽根車回転面から流入口１１側へ傾斜する線上に配置されており、従って、両磁石４１，４２間で互いに引き合う方向に作用する磁力は、たとえば図２に矢印ｆで示すように、駆動磁石４２から回転軸中心方向へ向けて、羽根車回転面から流入口１１側へ傾斜する（回転軸中心と直交する線から角度を有する）方向に発生している。

このように構成された遠心ポンプ１は、磁気カップリング装置４０を駆動させることにより、すなわち、ロータ４４とともに駆動磁石４２を回転させることにより、羽根車３０は永久磁石４１が駆動磁石４２に引きつけられて連れ廻りする。このため、磁気カップリング４０は、ケーシング１０の隔壁越しに羽根車３０を回転駆動させることができ、この結果、流入口１１を介して回転軸線方向から導入した液体は、羽根車３０により圧力を付与されて流出口から半径方向へ流出する。

そして、磁気カップリング装置４０が、羽根車回転面から回転軸中心へ向けて、流入口１１側へ傾斜する線上に配置されているので、磁気カップリングを構成する永久磁石４１及び駆動磁石４２間で引き合う磁力ｆにより、図２に矢印Ｆｓで示すように、ピボット軸受２０に対して傾斜角度に応じたスラスト力Ｆｓが作用する。この場合のスラスト力Ｆｓは、複数組の永久磁石４１及び駆動磁石４２が磁石間で引き合う磁力ｆの回転軸線方向成分（矢印ｆｓで示すスラスト力の分力）を合計した値である。

すなわち、永久磁石４１及び駆動磁石４２間の磁力ｆは、磁気カップリング装置４０を傾斜させたことにより、回転軸中心及び羽根車回転面に対して傾斜した方向に作用する。
このため、磁力ｆは、磁力ｆの傾斜角度に応じて、回転軸線方向へピボット軸２１を軸受部２２に押圧するスラスト方向の分力（スラスト分力）ｆｓと、羽根車回転面方向外向きに作用するラジアル方向の分力（ラジアル分力）ｆｒとに分解され、従って、ピボット軸受２０に作用するスラスト力Ｆｓは、磁力ｆを発生する永久磁石４１及び駆動磁石４２の数分だけスラスト分力ｆｓを合計した値となる。

このようにして、羽根車３０の回転時には、ピボット軸２１を軸受部２２に押し付けるスラスト力Ｆｓが常に作用しているので、ピボット軸受２０に支持されている羽根車３０は、スラスト力Ｆｓの押圧力を受けて安定した回転をすることができる。
すなわち、磁気カップリング装置４０を回転軸中心へ向けて流入口側へ傾斜する線上に配置したことにより、軸シール機構が不要なピボット軸受２０を採用して、羽根車３０の安定した回転により液体を昇圧させることができる。換言すれば、磁気カップリング装置４０を回転軸中心へ向けて流入口１１側へ傾斜する線上に配置し、磁気カップリング装置４０の磁力が回転軸線方向にピボット軸２１を押圧するスラスト力Ｆｓを生じるように構成したので、ピボット軸受２０に作用するスラスト力Ｆｓが羽根車３０の回転を安定させることにより、従来の軸シール機構を用いることなく漏れのない遠心ポンプ１を提供することができる。

また、上述した実施形態の遠心ポンプ１は、羽根車３０がピボット軸受２０による１点支持であるため、何らかの外力等によりバランスを崩して回転中の羽根車３０に傾きを生じることが懸念される。
しかし、本実施形態の遠心ポンプ１では、羽根車３０に傾きが発生しても、磁気カップリング装置４０の磁力により、傾きを正常位置に戻そうとする復元力が作用する。このため、運転中に羽根車３０が傾くようなことがあっても、すぐに復元力が作用して正常位置に戻すため、羽根車３０がケーシング１０と干渉することを防止できる。

図３は、磁気カップリング４０の磁力により羽根車３０に作用する復元力の説明図であり、たとえば図示のように羽根車３０が紙面右側に傾くと、羽根車３０に対して白抜矢印Ｒで示す反時計回りの復元力が作用する。なお、図３は復元力を説明する模式図であり、ケーシング１０等の構成部材は省略されている。
この復元力Ｒは、羽根車３０が傾斜して下がった羽根車３０の右側において、駆動磁石４２より下方に位置する永久磁石４１が磁力ｆ１によって上方（矢印ｒ１の方向）へ引き上げられ、同時に、羽根車３０が傾斜して上がった羽根車３０の左側において、駆動磁石４２より上方に位置する永久磁石４１が磁力ｆ２によって下方（矢印ｒ２の方向）に引き下げられることにより、反時計回りの回転力が作用するものである。

また、上述した遠心ポンプ１のピボット軸受２０は、少なくともピボット軸２１の一部を羽根車３０より流入口１１側へ突出する位置に配置することが望ましい。ポンプ室１２内において羽根車３０より流入口１１側へ突出する位置は、流入口１１よりポンプ室１２内に導入した液体の主流が常に通過する流路となる領域であり、従って、液体の流速が高い領域でもある。

このため、ポンプ室１２に導入する液体の流速が高い領域に配置されたピボット軸受２０は、遠心ポンプ１で昇圧する液体との接触による冷却効果が促進されるため、ピボット軸受２０の摺動面に発生する摩擦熱が効率よく吸収されて温度上昇を抑制できる。すなわち、流速の高い流入口１１側に設置されたピボット軸受２０は、流入口１１から導入される流体の流れによって効率よく冷却されるようになるので、ピボット軸受２０の温度上昇を抑制して、ピボット軸受２０及び遠心ポンプ１の耐久性を向上させることができる。
なお、ピボット軸受２０の位置については、冷却効果のみを考えるとピボット軸受２０の全体を液体流速の高い領域に配置すればよいが、たとえば羽根車３０の安定した回転支持の条件等を考慮して、現実的な最適位置を選択すればよい。

また、上述した実施形態の遠心ポンプ１は、たとえば図４に示すように、羽根車３０及びケーシング１０の対向面に低摩擦処理層５０を形成する底摩擦処理を施しておくことが好ましい。
低摩擦処理層５０の好適な具体例としては、たとえば表面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート層のようなフッ化炭素樹脂層を形成することが上げられる。なお、ポリテトラフルオロエチレンは、化学的に安定したフッ素樹脂であり、耐熱性や耐薬品性に優れるとともに、摩擦係数の小さい物質である。

このような低摩擦処理層５０は、停止状態で接触する可能性を有する領域に対して、すなわち、ピボット軸受２０による一点支持で運転停止時に傾斜した羽根車３０がケーシング１０と接触する面に対して、少なくとも一方の表面に形成されていればよい。図４に示す実施形態では、羽根車本体３１の下面と、羽根車本体３１の下面に対向するケーシング１０の底面との両面に低摩擦処理層５０を形成してあるが、いずれか一方のみでもよい。
このような低摩擦処理を施すことにより、特にポンプ室１２内に液体のない状態から始動される空運転時において、羽根車３０をスムーズに回転させて遠心ポンプ１を始動することができる。

このように、上述した実施形態の遠心ポンプ１によれば、磁気カップリング装置４０を回転軸中心へ向けて流入口１１側へ傾斜する線上に配置し、磁気カップリング装置４０の磁力が回転軸線方向にピボット軸２１を押圧するスラスト力Ｆｓを生じるように構成したので、ピボット軸２１に作用するスラスト力Ｆｓが羽根車３０の回転を安定させることにより、軸シール機構を用いることなく漏れのない小型の遠心ポンプ１を容易に提供することができる。
また、磁気カップリング装置４０により駆動される軸シール機構のない遠心ポンプ１とすれば、液体中の微粒子を破損させる原因や液体を固着させる原因となる軸シール機構がないため、微粒子を含む薬液等の液体（混合流体）や固着しやすい薬液等の液体等を昇圧させる好適なポンプとなる。

また、ポンプ室１２のボリュート形状は、ピボット軸受２０へのラジアル負荷を軽減させるため、ダブルボリュート形状が望ましい。これは、ポンプ室１２のボリュート部をシングルボリュートとした場合、設計点付近ではラジアル荷重が低くなるものの、設計点を外れて遠心ポンプ１を運転すると、ラジアル荷重が大きくなるためである。
また、羽根車３０は、ピボット軸受２０へのスラスト荷重を軽減させるため、クローズドインペラを採用することが望ましい。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１遠心ポンプ
１０ケーシング
１１流入口
１２ポンプ室
２０ピボット軸受
２１ピボット軸
２２軸受部
３０羽根車
４０磁気カップリング装置
４１永久磁石
４２駆動磁石
５０低摩擦処理層

Claims

液体の流入口及び流出口を備えたポンプ室を形成するケーシングと、前記ポンプ室の内部に配設されてピボット軸受により回転可能に支持されている羽根車と、前記羽根車に内蔵させた永久磁石を隔壁越しに回転駆動させる磁気カップリング装置とを備え、前記ケーシングに対して回転軸線方向に支持されている前記羽根車を前記磁気カップリング装置により駆動し、前記流入口を介して回転軸線方向の上方から導入した液体に圧力を与えて前記流出口から半径方向へ送出するように構成されたシールレス型の遠心ポンプにおいて、
前記ピボット軸受が、前記羽根車の回転軸中心に位置するピボット軸と、前記流入口の軸中心線上に設けた前記ケーシング側の軸受部とを備え、かつ、前記磁気カップリング装置が羽根車回転面から回転軸中心へ向けて前記流入口側へ上向きに傾斜する線上に配置されていることを特徴とする遠心ポンプ。
前記ピボット軸受は、少なくとも前記ピボット軸の一部が前記羽根車より前記流入口側へ突出していることを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
前記羽根車及び前記ケーシングの対向面は、停止状態で接触する可能性を有する領域に対し少なくとも一方の表面に低摩擦処理が施されていることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心ポンプ。