JPS63306295A - ポンプ及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は遠心式羽根車、渦流式羽根車、軸流式羽根車等
を備えた非容積形のポンプ及びその運転方法に関するも
のである。

〔従来技術〕

第５図は特公昭４９〜３８６４１号公報に示された従来
のポンプの一例の断面図である。図において、モータの
ロータ１及びステータ２はステンレス類のロータキャン
３２、ステータキャン３３によって被覆されて鉄心、コ
イル、二次導体が搬送液と接触しない構造となっている
。モータの主軸３の先端に遠心式のインペラ４がネジ止
めされ、インペラ４とロータ１との中間及びロータ１側
の末端において主軸３はラジアル軸受４５．４６によっ
て回転可能に支承され、さらに、ポンプの回転時に生ず
る軸スラストはロータ１の両側のスラスト軸受４７によ
って支えられる。ポンプの吐出口４８からモータの末端
に接続された６通バイブ４９４こよって搬送液が吐出口
側からモータの末端側に流入し、さらに、インペラ４の
背面に流出するので、この型式のポンプにおいては自液
即ち搬送液によって軸受部の潤滑とモータの冷却とがな
され、そして、搬送液は完全に外気から遮断された状態
で取扱われる。

図において、モータの制御部は示されていないか、一般
には、電源を０Ｎ−ＯＦＦする制御回路や、所望の液流
鼠に応してロータ１の回転数を調節する回転数制御回路
が設けられている。

〔発明が解決すべき問題点〕

このような従来のポンプの運転方法においては、王・袖
３の回転を与えるラジアル軸受４５．４６及びスラスト
軸受４７は、ポンプの流体輸送休止期間中に主軸３の回
転を停止せしめているため、その間にｄ′１滑油膜が切
れ、再起動時に軸受部が固体接触をしている状態で起動
するので、軸受部或いは玉軸３の表面が損傷して軸受抵
抗を増大したり、乃・しりついたり、起動電流の増大を
する、という問題点或いは、停止状四から起動するため
ＧＤ”の加速に要する起動トルクにより起動電流の一層
の増大を招くという問題点があった。

本発明は、従来の上記の如きポンプ及びその運転方法に
おける問題点を解決し、ポンプの流体輸送休止！Ｉ１１
間後の再起動時に、軸受部における損傷、かじり付き、
軸受抵抗の増大、起動電流の増大を防ぐことができるポ
ンプ及びその運転方法を提供することを目的とするもの
である。

〔問題点を解決すべき手段〕

本発明の第１の発明は、ポンプの軸受としてセラミック
ス焼結体からなるスパイラルグループ動圧軸受を備えた
電動式非容積形のポンプにおいて、インペラの回転を停
止状態とするための停止接点と、インペラを、前記スパ
イラルグループ動圧軸受において固体接触が生しない範
囲であり、がっ、ポンプの吐出量を実質的にゼロとなし
て流体輸送を休止せしめる範囲の低回転速度に維持する
ための輸送休止接点と、ポンプを定格運転状態で作動さ
せるための定格運転接点とを備えた制御装置を具備した
ことを特徴とする非容積形ポンプである。

第２の発明は、該ポンプを使用する方法の発明としての
、ポンプの軸受としてセラミックス焼結体からなる、ス
パイラルグループ動圧軸受を備えた電動式非容積形のポ
ンプの運転方法において、実質的に流体を輸送しない流
体輸送休止期間に、インペラの回転速度を、前記スパイ
ラルグループ動圧軸受において固体接触が生じない範囲
であり、かつ、ポンプの吐出量を実質的にゼロとなして
流体輸送を休止せしめる範囲の低回転速度に維持するこ
とを特徴とする非容積形のポンプの運転方法である。

〔作　用〕

本発明は、セラミックス焼結体からなるスパイラルグル
ープ動圧軸受を備えたポンプの、流体輸送を一時的に停
止する流体輸送休止期間に、主軸回転を停止せずに、ス
パイラルグループ動圧軸受において固体接触を生しない
程度の低速で回転せしめ、かつ、ポンプの吐出量を実質
的にゼロとして実質的に流体を輸送しないアイドリング
回転を行う休止運転を続行せしめるようにしたので、ポ
ンプの休止期間中でも軸受部の油膜が切れることなく、
軸受材料がセラミックスであるので、たとえ一時的に接
触したとしても損傷や発熱を生ずることＬまなく、低回
転速度における薄い油膜でも回転体を円滑に、摩擦抵抗
が殆どない状態で支承することができるので、流体輸送
休止期間中のアイドリング回転の休止運転中でも動力の
損失、発熱、軸受の摩耗などのトラブルは殆どない。

しかして油膜が確実に形成され固体接触がない状態で、
しかも回転を行っている状態で回転速度を上げて再び正
常運転を開始するので、各部の損傷や、かじり付きもな
く、起動抵抗や起動電流及び軸受抵抗が抑制され、ＧＯ
”の加速訃ルクも小さくなり、起動電流は一層小さくな
る。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例に係るポンプの断面図である。

第１図において、モータのロータ１とステーク２とはそ
れぞれステンレス鋼板のロータキャン３２、ステータキ
ャン３３によって被覆され搬送液とコイル二次４体・鉄
心との接触が断たれている。非容積式のインペラ４は硬
質のセラミックス焼結体からなるものであって、主版５
及び側板６は夫々軸方向端面５′、６′が主軸３と直角
な平滑な平面に仕上げられ回転側スラスト受面となって
いる。

また、インペラの外側を覆うケーシングは前面側の前ケ
ーシング７と背面側の後ケーシング８とに分割され、２
つのケーシング７．８の接合部には０−リング９が介在
され、搬送液と外気とが接しないようになっている。そ
して、前ケーシング７の内壁でインペラ４の前面に形成
された回転側スラスト受面６′と対向する位置に環状の
セラミックス焼結体ｌＯからなる固定側スラスト受面ｌ
Ｏ′が備えられ、またインペラ４の背面に対向する後ケ
ーシング８のポンプ室ｌｌ側内壁には同様に環状のセラ
ミックス焼結体１２からなる固定側スラスト受面１２′
が形成されている。

この２つの固定側スラスト受面１０’、１２’は主軸３
と直角な面であり、平滑な平面−に対して動圧発生用の
深さ５〜３０μｍのスパイラル溝が形成されている。ロ
ータ１の反インペラ側において矢印１３によってこのポ
ンプの正規の回転方向を示したがインペラ４が矢印１３
の方向に回転した場合において、回転側スラスト受面５
′、６′と、固定側スラスト受面１０′、１２’との間
に動圧が発生して流体膜が形成される。

ロータ１とインペラ４との間の主軸３にはセラミックス
焼結体からなる軸スリーブ１８が装着され、この軸スリ
ーブ１８に対応して、外周にセラミックス焼結体からな
るラジアル軸受１４が後ケーシング８に装着されている
。この小、ｌＩスリーブ１８とインペラ４との間にはス
ペーサ３５が介在され、さらにインペラ４は＋ｉｉｊ面
において締込みナンド１５によってキー３６、金属スリ
ーブ１６、樹脂板１７を介して主軸３と一体に回転可能
に締結されている。他方、ロータｌの反インペラ側にお
いては同様に主軸３にセラミックス焼結体からなる軸ス
リーブ１９が装着されて止めナツト２０で脱落が防止さ
れている。

さらに、゛軸スリーブ１９の外周にはモーターのエンド
ケーシング２１にセラミックス焼結体からなるラジアル
軸受２２が固定され、前記ラジアル軸受１４とによって
ラジアル荷重を支承する。

次に、このポンプの運転方法について説明する。

第１図のポンプは誘導電動機型キャンドモータポンプで
あり、制御装置５３の端子５４には三相電源が接続され
る。制御装置５３の内部は図示されないが周波数変換器
が内臓され、ポンプを定格運転状態において作動させる
ための周波数Ｈ１と、インペラの回転速度を定格回転速
度よりも低（、実質的に吐出圧を上昇させることなく実
質的に吐出量をゼロとなす範囲であり、且つ、スパイラ
ルグループ動圧軸受部において固体接触が生じない範囲
である低速回転速度でインペラをアイドリング回転させ
て輸送休止運転を行う周波数１１２とが切換スイッチ５
５によって選択できるものである。

また、さらに制御装置５３には電源をＯＮ　−ＯＦＦに
するための開閉スイッチ５６が設けられている。

従って第１図のポンプは停止状態、定格運転状態、及び
実質的には吐出圧をほとんど上昇させることなく吐出量
を実質的にゼロとなし、且つ固体接触を生じることのな
い低回転速度で回転を維持する休止状態（アイドリング
状態）の三つの運転状態を選択し得る制？１１１装置を
備えており、一時的に流体の輸送を休止する休止期間に
おいては、回転を停止することなく低速のアイドリング
回転による休止運転を続行せしめるようにしたので、ポ
ンプの回転部分と固定部分との間において固体接触する
機会が掻めて少なくなる。

第２図は第１図の！−■断面図であり、後ケーシング８
に装着された環状のセラミックス焼結体からなる固定側
スラスト受板１２のインペラ４の背面に対向する面１２
’は固定側スラスト受面としての機能を具備するもので
あって、平滑な平面に溝深さ５〜３０μｍの動圧発生用
のスパイラル溝２３が全周に亘って等間隔で形成され、
この固定側スラスト受面の他の部分は平滑な平面がその
まま残されたランド２４となっている。スパイラル（ｔ
２３の形成方法としては、固定側スラスト受板１２の受
面１２′を全面のうねりが３μｍ以下で且つ、中心線平
均粗さＲａが０．１μ隋以下の平滑な平面としたのら、
ランド２４に相当する表面を樹脂マスクで覆いシヨ・７
トブラストによって所定の溝深さとなるべくスパイラル
溝を形成し、樹脂マスクを除去する手法が最も節便であ
るが、他の方法によって形成してもよい。

なお、第２図中矢印１３は正規のポンプの回転方向を示
している。

第３図は、ロータ１の環インペラ側の主軸３端部に位置
するラジアル軸受部の拡大断面図である。、エンドケー
シング２１に固定された円筒状のセラミックス焼結体か
らなるラジアル軸受２２の内周面２２′は主軸３と平行
な円筒形状であって、且つ、平滑な円筒面にラップ仕上
げされている。

他方、主軸３に装着されたセラミックス焼結体からなる
軸スリーブ１９の外周面も主軸３と平行な円筒形状であ
って、且つ、平滑な円筒面にラップ仕上げされている。

そしてこの軸スリーブ１９の外周面１９’には、ヘリン
グボーン状のスパイラル溝２５が全周に亘って形成され
、さらにスパイラル溝２５と隣接してランド２６が形成
されている。２７は軸スリーブ１９を押える座金であり
、止めナンド２０によって軸スリーブ１９の脱落は防止
されている。

ここで、主軸３が矢印１３の方向へ回転した場合、スパ
イラル溝２５の作用によってラジアル軸受２２の内周面
２２′と軸スリーブ１９の外周面１９′との間には動圧
を伴う搬送液の流体膜が形成されて、回転部分は流体膜
に支承されて回転する。

また、モータのロータ１の発熱によって主軸３が伸びた
場合には、ラジアル軸受２２の内周面２２′も軸スリー
ブ１９の外周面１９’も夫々主軸３に平行な円筒形状で
あるため、単に軸スリーブ１９とラジアル軸受２２の軸
方向の位置が熱膨張差に応じた寸法だけずれるだけで、
ラジアル軸受の負荷容量にはさほど影響は与えない。

なお、図示しないが、インペラ４とロータ１との間に位
置するラジアル軸受部の原理的な構造も、第３図に示し
たラジアル軸受部と全（同様のものであるから、ポンプ
のスラスト荷重の方向が変化しても、回転体は、インペ
ラ４とケーシング７．８との位置関係を基点として任意
の位置へ移動するだけであり、ポンプの性能に直接悪影
響を及ぼすことはない。

さらに、インペラ４と前ケーシング７との間のスラスト
受は部の構造は前記第２図と原理は共通するものである
。

２８は吸入口、３７は吐出管、３８は冷却兼潤滑液の導
入口、３９．４０はエア抜き穴、４１゜４２．４３は冷
却兼潤滑液に貫通口、４４は端子箱との連絡管である。

第１図乃至第３図で説明した本発明の実施例に係るポン
プに対し、所定の電圧の電源が開閉スイッチ５６により
投入され、しかもその制御装置５３の切換スイッチ５５
により定格運転状態の周波数設定１４１を選択して運転
を開始した場合、インペラ４は吸入口２８から流入する
搬送液によって、インペラ４からロータｌへ向う方向の
スラスト力を受け、セラミックス製のインペラ４の土板
５の背面に形成された軸直角で平滑な平面である回転側
スラスト受面５′と、後ケーシング８に固定された固定
側スラスト受面１２’との間にスパイラル溝２３及びラ
ンド２４の作用によって流体膜が形成されインペラ４、
軸スリーブ１９．１８、主軸３、及びロータ１からなる
回転部分は、いずれも固定側の部材と固体接触すること
なく回転する。

ポンプの吐出圧が上昇した場合にはインペラ４の背面の
圧力が上昇するため、ロータ１からインペラ４へ向う方
向のスラスト力が作用し、インペラ４の前面に形成され
た回転側スラスト受面６′が前ケーシング７の内壁に形
成された固定側スラスト受面１０′に接近し、この時、
固定側スラスト受面１０’に形成されたスパイラル溝の
作用によって流体膜が形成されて、同様にスラスト力を
支える。従って、ポンプが定格運転状態にあるときは、
ポンプの回転部分と固定部分とは互いに固体摺動するこ
とはない。

次いで一時的にポンプによる流体の輸送を休止する場合
には、制御装置５３の切り換スイッチ５５をアイドリン
グ状態の休止状態に対する周波数１１□として休止運転
とする。この時、ステータ２に対してはより低い周波数
電源が供給されるので、ロータｌは低回転速度となり、
アイドリング回転が続行される。

この時の回転速度にあっては、インペラ４による流体の
昇圧作用は極めて小さいものであり、実質的に吐出量は
ゼロとなりポンプは流体を搬送しない。しかし、セラミ
ックス焼結体からなるスパイラルグループ動圧軸受部（
回転側スラスト受面５′、６′、固定側スラスト受面１
０’、１２’軸スリーブ１８．１９、ラジアル軸受２２
．３４が相当する）においては流体膜が形成されている
ので固体摺動は生じない。

そして、この輸送休止時のアイドリング運転におけるロ
ータ１の回転速度は、固体摺動が生じない範囲で小さく
選定されるべきであり、その回転速度は回転部分の重量
、軸受部の形状及び大きさ、流体の性状等によって決定
されるものであるが、通常、定格運転状態における回転
速度の１１５以下の同転速度が経済的で望ましい。

なお、この休止運転の状態において、ポンプの吐出側や
吸込側において弁を設け、その弁を閉した状態にしても
、ポンプの形式が非容積式であるためにポンプが損傷す
ることはない。

さらに、このポンプが接続される設備が長い期間に亘っ
て停止する場合には、制御装置５３の開閉スイッチ５６
を閉として、ロータ１を停止する。

この停止状態においては、動圧軸受部にあっても流体膜
が形成されないので固体接触状態となり、さらに再び回
転する時には固体摺動が生ずるものであるが、その頻度
は従来の運転方法に比べて著しく低減することができる
。しかもたとえ短時間の固体接触が生じたとしても、セ
ラミックス焼結体で製作されているので軸受部がかじっ
たり、発熱することがない。

第４図は、上述の如き運転方法を模式的に示したもので
あり、縦軸はインペラの回転速度Ｎ、横軸は時間ｔの経
過を表わしている０時間ｔ、において電源が投入され、
インペラは予め設定されたアイドリング休止接点におけ
るアイドリング回転速度Ｎ２となり、時間ｔ、において
定格運転接点に切換えられて、ポンプは時間ｔ８まで定
格運転状態で作動している０時間ｔ２〜Ｌ３＋ｔ４〜ｔ
。

の間、ポンプが設けられている設備の操業の都合でポン
プによる液体の搬送は行われないが、ポンプはアイドリ
ング状態の休止接点に切換えられて、予め設定された定
格運転接点における回転速度Ｎ。

よりも低いアイドリング回転速度Ｎ！を維持する。

時間ｔ、〜ｔ、の間は、設備全体の電源を遮断して、長
期に亘って休業することからポンプも停止接点とし、そ
の回転を停止させる。時間ｔ、においてポンプを起動し
た後、時間ｔ、までの間は、回転速度Ｎｌ　′からＮ１
までの領域において回転速度制御の運転が行われている
が、この回転速度Ｎｌ　′からＮ１の運転領域は、本発
明における定格運転接点によって特定される運転領域で
ある。

そして、時間ｔ、〜ｔ、の間の休止期間の後、ポンプは
回転速度Ｎ＋の定格運転状態となって運転が継続される
ものである。

以上の説明において用いたセラミックス焼結体としては
、硬質で化学的に安定なものが望ましくＳｉＣ焼結体、
Ｓｉ３Ｎ４焼結体、Ａｌｔ（ｈ焼結体、Ｚｒ（ｈ焼結体
などが用いられる。

また、インペラに形成される回転側スラスト受面とケー
シングの内壁に形成される固定側スラスト受面とのいづ
れの面にも動圧発生用スパイラル溝を形成することは可
能であるが、ショツトブラストによって溝を加工する場
合、樹脂マスクによって保護する部分が少ない固定側ス
ラスト受面にショツトブラストを施す方がより容易であ
ることから後者の方が経済的には有利となる。

第１図のポンプは前述の如く、キャンドモータポンプで
あるが、モータの主軸とポンプの主軸とを大気中でカッ
プリングで接続する型式のポンプ、インペラに埋設され
た永久磁石を外部から磁力によって回転させる型式のポ
ンプ等広範囲のポンプにおいでも、インペラが非容積弐
のポンプであれば前記本発明の制御装置と運転方法とが
利用できる。

また前記スパイラルグループ動圧軸受のうち、回転側ス
ラスト受面と、固定側スラスト受面とからなるスラスト
軸受の方が、ラジアル軸受よりもｆｔ　４２７容量を大
きくすることが容易であり、このことから、本発明は回
転軸が略垂直となる型式の所謂縦軸ポンプに対して一層
有効に適用できる。

〔効果〕

第１の発明は、ポンプの軸受としてセラミックス焼結体
からなるスパイラルグループ動圧軸受を備えた電動式非
容積形のポンプにおいて、インペラの回転を停止状態と
するための停止接点と、インペラを、前記スパイラルグ
ループ動圧軸受において固体接触が生じない範囲であり
、かつ、ポンプの吐出量を実質的にゼロとなして流体輸
送を休止せしめる範囲の低回転速度に維持するための輸
送休止接点と、ポンプを定格運転状態で作動させるため
の定格運転接点とを備えた制御装置を具備したことによ
り、流体輸送休止時に軸受部の固体接触を避け、損傷、
かじり、軸受抵抗の増大−２起動電流の増大を防ぐ運転
を簡単な構造で実現することができる。

また、第２の発明によれば、ポンプの軸受としてセラミ
ックス焼結体からなるスパイラルグループ動圧軸受を備
えた電動式非容積式のポンプの運転に当たり、定格（正
規）運転状態ではない、実質的に流体を搬送しない流体
輸送休止期間において、スパイラルグループ動圧軸受部
において固体接触が生じない程度の低回転速度で回転を
持続するアイドリング回転運転を行うものであるから、
休止時に、軸受が固体接触することを防ぎ、固体接触の
まま起動することによる損傷、かじり、軸受抵抗増大を
防ぎ、成る程度の速度で回転している状態からの加速な
ので、ＧＤ２の加速に要するトルクが小さく、起動電流
の増大を防ぐことができるポンプの運転方法を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るポンプの断面図、第２図は第１図
のＩ−１断面図、第３図は第１図の拡大断面図、第４閣
はポンプの運転方法の一例を示すタイムチャート、第５
図は従来例を示す断面図である。 １・・・ロータ、２・・・ステータ、３・・・主軸、４
・・・インペラ、５・・・主板、６・・・側板、７・・
・前ケーシング、８・・・後ケーシング、９・・・０−
リング、１０・・・固定側スラスト受板、１１・・・ポ
ンプ室、１２・・・固定側スラスト受板、１３・・・矢
印（回転方向）、１４・・・ラジアル軸受、１５・・・
締込みナツト、１６・・・金属スリーブ、１７・・・樹
脂板、１８・・・軸スリーブ、１９・・・軸スリーブ、
２０・・・止めナツト、２１・・・エンドケーシング、
２２・・・ラジアル軸受、２３・・・スパイラル溝、２
４・・・ランド、２５・・・スパイラル溝、２６・・・
ランド、２７・・・座金、２８・・・吸込口、２９・・
・コイル、３０・・・循環口、３１・・・吐出管、３２
・・・ロータキャン、３３・・・ステータキャン、３４
・・・ラジアル軸受、３５・・・スペーサ、３６・・・
キー、３７・・・吐出管、３日・・・４入口、３９．４
０・・・エア抜き穴、４１．４２．４３・・・貫通口、
４４・・・連絡管、４５．４６・・・ラジアル軸受、４
７・・・スラスト軸受、４８・・・吐出口、４９・・・
導通パイプ、５３・・・制御装置、５４・・・端子、５
５・・・切換スイッチ、５６・・・開閉スイッチ、５′
・・・回転側スラスト受面、６′・・・回転側スラスト
受面、１０′・・・固定側スラスト受面、１２′・・・
固定側スラスト受面、２２′・・・内周面、１９’・・
・外周面。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ポンプの軸受としてセラミックス焼結体からなる
   スパイラルグループ動圧軸受を備えた電動式非容積形の
   ポンプにおいて、 インペラの回転を停止状態とするための停止接点と、イ
   ンペラを、前記スパイラルグループ動圧軸受において固
   体接触が生じない範囲であり、かつ、ポンプの吐出量を
   実質的にゼロとなして流体輸送を休止せしめる範囲の低
   回転速度に維持するための輸送休止接点と、ポンプを定
   格運転状態で作動させるための定格運転接点とを備えた
   制御装置を具備したことを特徴とする非容積形ポンプ。
2. （２）ポンプの軸受としてセラミックス焼結体からなる
   、スパイラルグループ動圧軸受を備えた電動式非容積形
   のポンプの運転方法において、 実質的に流体を輸送しない流体輸送休止期間に、インペ
   ラの回転速度を、前記スパイラルグループ動圧軸受にお
   いて固体接触が生じない範囲であり、かつ、ポンプの吐
   出量を実質的にゼロとなして流体輸送を休止せしめる範
   囲の低回転速度に維持することを特徴とする非容積形の
   ポンプの運転方法。