JP6170767B2 - 一軸偏心ねじポンプの運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、食料原料や、化学原料、下水汚泥などの圧送液を定量圧送する一軸偏心ねじポンプに係り、特に、この種の一軸偏心ねじポンプの運転制御方法に関する。

この種の一軸偏心ねじポンプとしては、例えば特許文献１に記載の技術が開示されている。同文献記載の一軸偏心ねじポンプは、雌ねじ状の内面を有する回転可能に支承されたステータを有している。このステータは、雌ねじ状の内面がゴム等のエラストマーで構成され、このステータに、ロータの雄ねじ状の螺旋部が内挿されるとともに基端部が駆動部に連結されている。そして、ロータの回転軸線は、ステータの回転軸線に対して所定距離だけ偏心して配置されており、ロータの回転力でステータをロータの二分の一の回転数で追従回転させるように構成されている。

ＷＯ２０１０／１０３９９３ Ａ１

しかしながら、この種の一軸偏心ねじポンプは、エラストマーで構成されたステータをロータの回転力で追従回転させるので、ロータからステータへの回転力を伝達するときの衝撃が大きいと、エラストマーで構成されたステータが衝撃で大きく弾性変形してしまう。そのため、特に圧送液が粘度の高い液や濃度の高い液などの場合、ステータがロータの回転に追従できず、ロータとステータ相互の位相が正規の位相（図３参照）からずれてしまい、ステータの回転がロータの回転に正確に追従していない位相（図４参照）で運転する場合がある。

例えば、一軸偏心ねじポンプの起動時において、圧送液が粘度の高い液や濃度の高い液などの場合に、いきなり定常運転に移行する運転制御であると、ステータの回転がロータの回転に正確に追従せずにシールラインが正規な状態とならず、正常な圧送が行えない場合があった。

一方で、一軸偏心ねじポンプの停止時において、圧送液が粘度の高い液や濃度の高い液などの場合に、ステータの回転がロータの回転に正確に追従していない位相で停止する場合がある。このような状態で一軸偏心ねじポンプを再起動すると、正規の位相状態から起動した場合と比べて、より大きな起動トルクが必要となる。また、ロータとステータ相互の位相が正規の位相からずれるとシールラインが正規な状態にないため、吸込み側に吸込み圧力が掛かっている場合は、停止中に吐出側から液漏れが発生する場合があった。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、ロータの回転力でステータをロータの二分の一の回転数で追従回転させる一軸偏心ねじポンプにおいて、起動時または停止時の運転を円滑かつ安定させてシールラインを正規な状態に維持し得る一軸偏心ねじポンプの運転制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る一軸偏心ねじポンプの運転制御方法は、雌ねじ状の内面を有するステータと、該ステータに雄ねじ状の螺旋部が内挿されるロータとを備え、前記ステータが回転可能に支承され、前記ロータが駆動軸に固定されるとともに該ロータの回転軸線が前記ステータの回転軸線から所定距離偏心するように構成されており、前記ステータが前記ロータの回転速度の１／２の回転速度で従属回転することによって、吸入側から吸い込まれた粘性液を吐出側に圧送する一軸偏心ねじポンプの運転を制御する方法であって、前記一軸偏心ねじポンプの停止時に、停止時前の回転方向とは逆転方向に、定常運転時よりも低角加速度且つ低角速度で所定角度だけ前記ロータを回転させて運転を停止することを特徴とする。
ここで、本発明の一態様に係る一軸偏心ねじポンプの運転制御方法において、前記一軸偏心ねじポンプの起動時に、定常運転時よりも低角加速度且つ低角速度で逆転方向に所定角度だけ前記ロータを回転させた後に、さらに所定角度の正転逆転を所定回数繰り返した後に定常運転に移行することは好ましい。なお、上記所定角度としては、５〜２０°程度が好ましい。

本発明の一態様に係る一軸偏心ねじポンプの運転制御方法によれば、一軸偏心ねじポンプの停止時に、停止時前の回転方向とは逆転方向に、定常運転時よりも低角加速度且つ低角速度で所定角度だけロータを回転させて運転を停止するので、停止時の運転を円滑かつ安定させてロータとステータ相互の位相を正規の位相とし、シールラインを正規な状態に維持しつつ停止させることができる。そのため、吸込み側に吸込み圧力が掛かっている場合であっても、停止中における吐出側からの液漏れを防止または抑制することができる。
そして、一軸偏心ねじポンプの起動時に、定常運転時よりも低角加速度且つ低角速度で逆転方向に所定角度だけロータを回転させた後に、さらに所定角度の正転逆転を所定回数繰り返した後に定常運転に移行させれば、圧送液が粘度の高い液や濃度の高い液などの場合に、仮に起動前のロータとステータ相互の位相が正規の位相で停止していなかったときでも、いきなり定常運転に移行する運転制御と異なり、起動トルクの過度な上昇を抑制して、起動時の運転を円滑かつ安定させてシールラインを正規な状態に維持しつつ定常運転に移行する上で好適である。

上述のように、本発明によれば、起動時または停止時の運転を円滑かつ安定させてシールラインを正規な状態に維持することができる。

本発明に係る一軸偏心ねじポンプの一実施形態を説明する図であり、同図では、軸線に沿った断面図を示している。 本発明に係る一軸偏心ねじポンプのコントローラ（制御手段）で実行される、運転制御処理のフローチャートである。 ロータの回転角度の二分の一の回転数で回転するステータの正規の位相関係を順に示す図（（ａ）〜（ｌ））であり、同図では各位相関係に対応する軸方向の断面および各断面での位相関係を併せて示している。 比較例を示す図であって、同図では、本発明に係る運転制御処理を実行しないで単に定常運転に移行した場合に、急激な起動トルクによって、ロータに対してステータが正規の位相からずれた位相関係を順に示す図（（ａ）〜（ｌ））であり、同図では各位相関係に対応する軸方向の断面および各断面での位相関係を併せて示している。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１に示すように、この一軸偏心ねじポンプ１は、円筒状のねじポンプ部４０を有する。そして、このねじポンプ部４０の吸込み側１４にケーシング３０が設けられている。ケーシング３０は、自身側面（この例では回転軸線Ｌ２よりも上部）に吸込口１２を有する。ねじポンプ部４０のハウジング４６とケーシング３０の吐出側１４（ねじポンプ部４０の吸込み側でもある）とは、へルールクランプ４３によって着脱可能に連結されている。また、ハウジング４６の吐出側４６ｔには吐出部５０が締めねじ５０ａによって装着されている。

そして、上記ケーシング３０に対し、ねじポンプ部４０とは反対の側から、軸受部２０を内蔵するブラケット部１０が不図示の締めねじによって連結されている。さらに、ブラケット部１０の基端側（同図の右側）には、駆動用のモータ２が不図示のボルトによって固定されている。

上記ねじポンプ部４０は、円筒状のハウジング４６内に、雄ねじ状のロータ４２と、雌ねじ状の内面をもつステータ４１とを備えている。ロータ４２は、先端側の螺旋部４２ａと、直線状の基端部４２ｂとから構成されている。基端部４２ｂは、ユニバーサルジョイントを用いることなく、水平に配置された駆動軸８の先端に直接連結している。螺旋部４２ａは、自身の回転軸線Ｌ２に対して偏心した長円形断面を有しており、この螺旋部４２ａが、雌ねじ状の内面を形成したステータ４１に内挿されている。なお、上記軸受部２０は、上記駆動軸８の途中部分を軸方向に離間した二つの転がり軸受２２，２３によって回転自在に支承している。また、駆動軸８の先端側であって、ケーシング３０側の端面は水中軸受２５によって軸封されている。

そして、このステータ４１の回転軸線Ｌ１に対して、上記ロータ４２の回転軸線Ｌ２は、所定の偏心量Ｅだけ偏心して配置されている。ステータ４１は、その雌ねじ状のピッチがロータ４２の螺旋部４２ａの２倍である。ステータ４１は、その両端が、すべり軸受としての、円環状の自己潤滑軸受４７、４８を介して上記ハウジング４６内に回転自在に支承されている。

この例では、ステータ４１は、ステータ内筒４１ａと、このステータ内筒４１ａを軸方向の両側から挟み込むように形成された段付き形状の二つのステータ外筒４１ｂ，４１ｃとを有して構成されている。ステータ内筒４１ａは、内側に焼き嵌めされたエラストマー製の内周部を有し、上記雌ねじ状の内面がこの内周部によって形成されている。ステータ外筒４１ｂ，４１ｃとステータ内筒４１ａとは、押しねじ４１ｄ，４１ｄによって固定されることで全体として一体で回転するようになっている。

そして、ケーシング３０とハウジング４６とには、相互が対向する側の内面に、凹の段部３０ｄ、４６ｄがそれぞれ形成されている。さらに、ステータ４１の外周面には、各ステータ外筒４１ｂ，４１ｃによって凸の段部４１ｔが形成されており、各ステータ外筒４１ｂ，４１ｃに対して、その凸の段部４１ｔの両端部に自己潤滑軸受４７、４８が当接されつつ外嵌され、ケーシング３０とハウジング４６とをヘルールクランプ４３によって組み付けることでケーシング３０とハウジング４６相互の内面に形成された凹の段部３０ｄ、４６ｄの内側面が自己潤滑軸受４７、４８の軸方向への移動を拘束しつつ、ステータ４１を回転自在に支持するように構成されている。

このような構成の一軸偏心ねじポンプ１は、オペレータにより不図示の操作パネルからの起動操作がなされると、後述のコントローラ５の制御下でモータ２が駆動され、モータ２の回転力によって駆動軸８が一体で回転し、この駆動軸８に直接接続されたロータ４２が回転する。そして、ねじポンプ部４０は、ロータ４２がその回転軸線Ｌ２を中心として回転し、ロータ４２の螺旋部４２ａの動きに伴ってステータ４１もその回転軸線Ｌ１を中心としてロータ４２の回転と同期してロータ４２の二分の一の回転数で従動回転（図３参照）することにより、圧送流体を吸込口１２から吐出口１６に向けて圧送するようになっている。

ここで、この一軸偏心ねじポンプ１は、モータ２の角速度を測定可能な角速度センサ３と、モータ２の角加速度を測定可能な角加速度センサ４がモータ２に付設されている。これらセンサ３、４によって測定された角速度情報および角加速度情報は、モータ２の制御手段であるコントローラ５に入力される。コントローラ５は、コンピュータを含む制御装置であり、オペレータによる起動操作および停止操作に応じて、本発明に係る運転制御処理を実行し、取得した角速度情報および角加速度情報に基づいて、モータ２の起動時および停止時の運転を所定に制御するようになっている。

詳しくは、コントローラ５で運転制御処理が実行されると、図２に示すように、ステップＳ１に移行して、当該一軸偏心ねじポンプ１が起動段階か否かを判定する。この判定処理は、例えばポンプ停止時に設定されるフラグの有無の参照およびモータ２が所定の角速度に満たないか否かを監視することによって判定される。設定フラグは、モータ２が所定の角速度を超えた定常運転状態であれば解除され、オペレータによる電源の再投入時等には改めてフラグが設定されるようになっている。つまり、起動段階（フラグ有り）であれば（Ｙｅｓ）ステップＳ２に移行し、そうでなければ（Ｎｏ）ステップＳ３に移行する。

ステップＳ２では、ロータ４２とステータ４１との位相のずれが生じないように、所定の起動運転制御が実行される。起動運転制御は、角速度センサ３および角加速度センサ４によって測定された角速度情報および角加速度情報をそれぞれ取得しつつ、定常運転時よりも低角加速度且つ低角速度で逆転方向に所定角度だけロータ４２を回転させる。例えば、起動時の角加速度が、５０〜２００πｒａｄ／ｓ^２、最大トルクが定格トルクの４５〜６５％、起動時の角速度が、ロータ回転数で１００ｍｉｎ^−１以下となるように制御する。その後に、さらに定常運転時よりも低角加速度且つ低角速度で所定角度の正転逆転を所定回数（例えば２〜３回）繰り返した後に定常運転に移行する一連の制御である。なお、定常運転時の制御は、モータ２が所定の角速度に達したか否かを随時に監視し、所定の角速度を維持するフィードバック制御が行われる。なお、起動運転制御時の所定角度としては、５〜２０°程度が好ましい。このステップＳ２の一連の起動運転制御後、処理をステップＳ１に戻す。

ステップＳ３では、当該一軸偏心ねじポンプ１が停止段階か否かを判定する。この判定は、オペレータによる停止操作が入力されたか否かを監視し、停止操作が入力されていれば（Ｙｅｓ）ステップＳ４に移行し、そうでなければ（Ｎｏ）定常運転を維持する。
ステップＳ４では、ロータ４２とステータ４１との位相のずれが生じないように、所定の停止運転制御が実行される。停止運転制御は、角速度センサ３および角加速度センサ４によって測定された角速度情報および角加速度情報をそれぞれ取得しつつ、停止時前の回転方向とは逆転方向に、定常運転時よりも低角加速度且つ低角速度で所定角度だけロータ４２を回転させて運転を停止する一連の制御である。なお、停止運転制御時の所定角度としては、５〜２０°程度が好ましい。例えば、逆転方向への回転制御は、角加速度が、５０〜２００πｒａｄ／ｓ^２、最大トルクが定格トルクの４５〜６５％、角速度が、ロータ回転数で１００ｍｉｎ^−１以下となるように制御する。

次に、この一軸偏心ねじポンプ１の動作および作用・効果について説明する。
この一軸偏心ねじポンプ１は、駆動軸８が一体をなして直結された雄ねじ状の螺旋部４２ａを有するロータ４２と、回転可能に支承されるとともにその回転軸線Ｌ１がロータ４２の回転軸線Ｌ２に対して偏心して配置される雌ねじ状の内面を有するステータ４１とを備え、ロータ４２が回転しつつステータ４１の軸心に対して偏心運動を行うことによって圧送液を吸入側から吐出側へ圧送する構成なので、モータ２の駆動によってロータ４２を回転させると、ロータ４２はその回転軸線Ｌ２を中心として回転し、ロータ４２の螺旋部４２ａの動きに伴ってステータ４１もその回転軸線Ｌ１を中心としてロータ４２の回転と同期して従動回転することにより、圧送液を吸込口１２から吐出口１６に向けて圧送することができる。なお、運転時には上記運転制御処理が実行され、モータ２の起動時および停止時の運転が所定に制御される。

ここで、この一軸偏心ねじポンプ１は、ゴム等のエラストマーで構成されたステータ内筒４１ａを有するステータ４１をロータ４２の回転力で追従回転させるようになっているので、起動時や停止時に、ロータ４２からステータ４１への回転力を伝達するときの衝撃が大きいと、エラストマーで構成されたステータ内筒４１ａが衝撃で大きく弾性変形してしまう。そのため、特に圧送液が粘度の高い液や濃度の高い液などの場合、一軸偏心ねじポンプの起動時や停止時に、ロータ４２の回転にステータ４１が追従回転できず、ロータ４２とステータ４１との本来の正確な位相関係が保てず、図４に示す非追従状態（同図において、ロータ４２とステータ４１とのシールラインが崩れているため、図面上の線が相互に交差した状態）になる場合がある。つまり、エラストマーからなるステータ内筒４１ａが大きく弾性変形した結果、ロータ４２とステータ４１とのシールラインが崩れてしまうことになる。

これに対し、本実施形態の一軸偏心ねじポンプ１によれば、モータ２の角速度を測定する角速度センサ３と、モータ２の角加速度を測定する角加速度センサ４と、これらセンサ３、４から取得した角速度、角加速度情報に基づいて、モータ２の起動および停止時の運転を制御するコントローラ５とを備え、コントローラ５は、当該一軸偏心ねじポンプ１を起動するときには、上記起動制御処理を実行してから定常運転に移行させるとともに、当該一軸偏心ねじポンプ１を停止するときには、上記停止制御処理を実行してから停止させるので、ロータ４２とステータ４１とのずれが生じないように、ステータ４１をロータ４２の回転に確実に追従させつつ起動および停止を行うことができる。

すなわち、停止時には、上記停止制御処理を実行し、停止時前の回転方向とは逆転方向に、定常運転時よりも低角加速度且つ低角速度で所定角度だけロータ４２を回転させて運転を停止するので、シールラインを正規な状態に維持しつつ停止させることができる。そのため、吸込み側に吸込み圧力が掛かっている場合であっても、停止中における吐出側からの液漏れを防止または抑制することができる。

また、起動時は、起動段階（フラグ有り）のときに上記起動制御処理を実行し、定常運転時よりも低角加速度且つ低角速度で逆転方向に所定角度だけロータ４２を回転させた後に、さらに所定角度の正転逆転を所定回数繰り返した後に定常運転に移行するので、起動トルクの過度な上昇を抑制して、図３に示すように、ステータ４１をロータ４２との正確な位相関係を保って追従回転させることができる（同図において、ロータ４２とステータ４１とのシールラインが正しく保たれるため、図面上の線が相互に交差せずにステータ４１の内周面にロータ４２の外周面が接触した状態となる）。したがって、起動時の運転を円滑かつ安定させてシールラインを正規な状態に維持しつつ定常運転に移行することができる。

なお、本発明に係る一軸偏心ねじポンプは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能なことは勿論である。例えば、上記実施形態では、起動または停止時の角加速度の設定値が、５０〜２００πｒａｄ／ｓ^２である例で説明したが、これに限らず、ロータ４２とステータ４１とのずれが生じない設定値であれば任意の値に設定可能である。

１ 一軸偏心ねじポンプ
２ モータ
３ 角速度センサ（角速度測定手段）
４ 角加速度センサ（角加速度測定手段）
５ コントローラ（制御手段）
８ 駆動軸
１０ ブラケット部
１２ 吸込口
１４ 吸込み側
１６ 吐出口
２０ 軸受部
３０ ケーシング
４０ ねじポンプ部
４１ ステータ
４２ ロータ
Ｅ 偏心の所定距離
Ｌ１ ステータの回転軸線
Ｌ２ ロータの回転軸線

Claims (3)

1. 雌ねじ状の内面を有するステータと、該ステータに雄ねじ状の螺旋部が内挿されるロータとを備え、前記ステータが回転可能に支承され、前記ロータが駆動軸に固定されるとともに該ロータの回転軸線が前記ステータの回転軸線から所定距離偏心するように構成されており、前記ステータが前記ロータの回転速度の１／２の回転速度で従属回転することによって、吸入側から吸い込まれた粘性液を吐出側に圧送する一軸偏心ねじポンプの運転を制御する方法であって、
   前記一軸偏心ねじポンプの停止時に、停止時前の回転方向とは逆転方向に、定常運転時よりも低角加速度且つ低角速度で所定角度だけ前記ロータを回転させて運転を停止することを特徴とする一軸偏心ねじポンプの運転制御方法。
2. 前記一軸偏心ねじポンプの起動時に、定常運転時よりも低角加速度且つ低角速度で逆転方向に所定角度だけ前記ロータを回転させた後に、さらに所定角度の正転逆転を所定回数繰り返した後に定常運転に移行する請求項１に記載の一軸偏心ねじポンプの運転制御方法。
3. 前記所定角度は、５〜２０°の範囲の角度であることを特徴とする請求項１または２に記載の一軸偏心ねじポンプの運転制御方法。

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