JPWO2006090495A1 - Gear pump - Google Patents
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Abstract
溶融樹脂等の高圧、高粘度の流体の移送により適した歯車ポンプを実現する。ケーシング1内に設けられ、対をなし噛合する歯車2、3の回転により流体を吸込口11側から吐出口12側へ移送する歯車ポンプ100において、前記歯車2、3を、一点連続接触歯形のやまば歯車とし、かつ、各歯車2、3について、歯車外径Dの歯幅Bに対する比D/Bを1.1〜1.15に設定した。D/Bが1.1を下回ると、軸受荷重が過大となって軸受に損傷が発生するおそれがあり、溶融樹脂等を圧送する用途には適さなくなる。一方、D/Bが1.15を上回ると、ポンプ外形の大型化とともに機械効率が低下、全効率が低下する。A gear pump suitable for transferring high-pressure, high-viscosity fluid such as molten resin is realized. In a gear pump 100 provided in the casing 1 for transferring fluid from the suction port 11 side to the discharge port 12 side by the rotation of the gears 2 and 3 meshing in pairs, the gears 2 and 3 are connected to each other with a one-point continuous contact tooth profile. For the gears 2 and 3, the ratio D / B of the gear outer diameter D to the tooth width B was set to 1.1 to 1.15. If D / B is less than 1.1, the bearing load may be excessive and damage to the bearing may occur, making it unsuitable for applications where molten resin or the like is pumped. On the other hand, if D / B exceeds 1.15, the mechanical efficiency is lowered and the overall efficiency is lowered along with the enlargement of the outer shape of the pump.
Description
本発明は、特に高圧、高粘性の流体を移送するために用いられる歯車ポンプに関する。
The present invention relates to a gear pump used for transferring a high-pressure, high-viscosity fluid.
噛合する歯車の回転により流体を吸込側から吐出側へ移送する歯車ポンプでは、インボリュート歯形を採用したものが非常に多い。インボリュート歯形は切削し易く、しかも歯形の仕上げ寸法の測定も容易であるため、高精度の歯車を得ることができ、よって高圧運転条件にも適合し得るからである。
インボリュート歯形を採用した歯車ポンプの抱える問題として、流体の閉じ込み現象が挙げられる。インボリュート歯車の噛み合い率は1より大きいことが通例であり、2組の歯が噛み合っている期間が存在する。その場合、これら2組の歯の間に流体が閉じ込められるが、この閉じ込み領域の容積は歯車の回転に伴い変動することから、圧縮時には閉じ込み流体の圧力上昇と動力浪費、膨張時には真空や気泡の発生といった不具合がもたらされる。但し、閉じ込み現象の害は、膨張時よりも圧縮時の方がはるかに大きい。
A problem of a gear pump that employs an involute tooth profile is a fluid confinement phenomenon. The meshing rate of the involute gear is usually greater than 1, and there is a period in which two sets of teeth are meshed. In that case, fluid is confined between these two sets of teeth, but the volume of the confinement region fluctuates as the gear rotates. Problems such as the generation of bubbles are brought about. However, the harm of the confinement phenomenon is much greater during compression than during expansion.
そして、上記の閉じ込み現象の害は、移送される流体の粘度や吸入圧力、吐出圧力が高いほど顕著になる。とりわけ、溶融樹脂等を圧送する用途においては、300°C程度の高温、20MPaG程度の高圧、300Pa・s程度の高粘度の流体を移送するため、閉じ込み現象によって歯車軸受へ多大な荷重がかかり、軸受寿命が短命になる。現状では、軸受を改良したり、あるいは軸受諸元に余裕をもたせたり(例えば、軸径を大きくする、回転速度を下げる等)して対処しているが、ポンプ外形の大型化、駆動力の増大化を招いてしまっている。
The harm of the above-mentioned confinement phenomenon becomes more prominent as the viscosity of the fluid to be transferred, the suction pressure, and the discharge pressure are higher. In particular, in applications where molten resin or the like is pumped, a fluid having a high temperature of about 300 ° C, a high pressure of about 20 MPaG, and a high viscosity of about 300 Pa · s is transferred, so that a large load is applied to the gear bearing due to the confinement phenomenon. , Bearing life is shortened. Currently, this is dealt with by improving the bearing, or by giving a margin to the bearing specifications (for example, increasing the shaft diameter, decreasing the rotational speed, etc.). It has been increasing.
以上に鑑みてなされた本発明は、高分子重合物や溶融樹脂等の高圧、高粘度の流体の移送により適した歯車ポンプを実現しようとするものである。
The present invention made in view of the above is intended to realize a gear pump suitable for transferring a high-pressure, high-viscosity fluid such as a polymer or a molten resin.
上述した課題を解決するべく、本発明の歯車ポンプは、流体が導入される吸込口と、該流体が排出される吐出口とを有するケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、互いに噛合して回転により前記流体を前記吸込口から前記吐出口へと移送する一対の歯車とを備え、前記一対の歯車は、一点連続接触歯形のやまば歯車であり、該歯車のそれぞれの外径と歯幅との比が、1.1〜1.15であることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, a gear pump according to the present invention is provided in a casing having a suction port through which a fluid is introduced and a discharge port through which the fluid is discharged, and rotates in mesh with each other. And a pair of gears for transferring the fluid from the suction port to the discharge port, and the pair of gears is a one-point continuous contact tooth-shaped helical gear, and each gear has an outer diameter and a tooth width. The ratio is 1.1 to 1.15.
即ち、円弧歯形、楕円歯形またはサイン曲線歯形等の、接触点が常に1つであり流体の閉じ込みを発生させない歯形を採用するとともに、やまば歯車として軸推力を均衡させ、軸推力が歯車に作用することを回避する。その上で、D/Bを1.1〜1.15に設定することで、軸受荷重を抑制しながら効率を確保する。D/Bが1.1を下回ると、軸受荷重が過大となって軸受に損傷が発生するおそれがあり、溶融樹脂等を圧送する用途には適さなくなる。一方、D/Bが1.15を上回ると、ポンプ外形が大型化する割にできる仕事が小さくなる。歯車とケーシングとの摩擦による動力損失は歯車外径の増加に応じて急増するため、一定の吐出量に対して歯幅を小さく、外径を大きくすることはポンプ外形の大型化とともに機械効率の低下、全効率の低下に直結する。以上の理由により、D/Bは1.1〜1.15とすることが望ましい。
That is, a tooth profile such as an arc tooth profile, an elliptical tooth profile, or a sinusoidal tooth profile that always has one contact point and does not cause fluid confinement is used, and the axial thrust is balanced as a blind gear so that the axial thrust is applied to the gear. Avoid acting. In addition, by setting D / B to 1.1 to 1.15, the efficiency is ensured while suppressing the bearing load. If D / B is less than 1.1, the bearing load may be excessive and damage to the bearing may occur, making it unsuitable for applications where molten resin or the like is pumped. On the other hand, if D / B exceeds 1.15, the work that can be done for a large pump outer shape is reduced. The power loss due to the friction between the gear and the casing increases rapidly as the outer diameter of the gear increases, so reducing the tooth width and increasing the outer diameter for a given discharge amount increases the pump's outer diameter and increases mechanical efficiency. Directly linked to a decrease in overall efficiency. For the above reasons, it is desirable that D / B is 1.1 to 1.15.
本発明によれば、高分子重合物や溶融樹脂等の高圧、高粘度の流体の移送により適した歯車ポンプを実現可能である。
According to the present invention, it is possible to realize a gear pump suitable for transferring a high-pressure, high-viscosity fluid such as a polymer or a molten resin.
1…ケーシング
2、3…歯車
100…歯車ポンプ
200…重合装置
300…成形装置
400…紡糸装置
D…歯車外径
B…歯幅
E3…回転する両歯車の歯先がケーシングの内周面より離反する二位置と両歯車のピッチ点とをそれぞれ結んだ線分のなす角度
E4…回転する歯車の歯先がケーシングの内周面に極近接する位置からこの歯車の歯先がその内周面から離反する位置までの円弧角
1 ... casing by 2, the
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1及び図2に示す本実施形態の歯車ポンプ100は、例えば、石油プラント、化学プラント、重合プラント、成形・紡糸装置等において、溶融樹脂その他の高分子重合物等の高粘性物を高圧で圧送するために使用される。これらの高粘性物は、中間体であっても最終製品であってもよい。この歯車ポンプ100は、いわゆる外接歯車ポンプであって、ケーシング1が内包する内部空間に、駆動歯車2と従動歯車3とを噛合状態で配設してなり、これら歯車2、3を回転駆動することで歯溝に捉えた流体を吸込側から吐出側へ移送するポンプ作用を営むものである。実際には、吸込側を上方、吐出側を下方に位置づけ、吸込口11の直上に高分子重合物や溶融樹脂等を蓄えたタンクを設置して、タンク内の溶融樹脂等を吸込み所定の吐出圧力で吐出させる。
The
駆動歯車2、従動歯車3は、それぞれ一点連続接触歯形のやまば歯車とする。図示例では、両歯車2、3の歯形を円弧歯形としている。各歯車2、3について、外径Dの歯幅Bに対する比D/Bは、1.1〜1.15の間に設定する。これは、当該歯車ポンプ100が300°C程度の高温の溶融樹脂等を20MPaG程度の高圧で圧送することによる。歯車外径D、歯幅Bの具体的な値は、回転駆動力を歯車に伝達するために必要な歯車軸径、歯車軸の撓み変形を抑制するために必要な軸径による制限を受ける。
The
しかして、歯車外径Dと歯幅Bとの比D/Bを1.1〜1.15の範囲内に収めるべく、歯車2、3の歯数Z及びねじれ角度(ヘリカル角度)βを決定する。歯モジュールをM、ピッチ円直径をAとおくと、
A=MZ、
D=M(Z+2)
が成り立つ。本実施形態では、両歯車2、3の歯形が一点接触歯形であるから、歯車軸方向に1ピッチねじらないと回転が伝達されない。
1ピッチ=πA/Z=πM
であり、
B/2=πM/tanβ
である必要がある。D/B=xとおくと、上記より、
Z=(2πx/tanβ)−2
となる。
Therefore, the number of teeth Z and the twist angle (helical angle) β of the
A = MZ,
D = M (Z + 2)
Holds. In this embodiment, since the tooth profile of both the
1 pitch = πA / Z = πM
And
B / 2 = πM / tan β
Need to be. If D / B = x, then
Z = (2πx / tan β) −2
It becomes.
なお、ねじれ角度βは、歯形の加工工程上、32°以下とすることが好ましい。上式より、D/B=xを1.1〜1.15の範囲内に収めようとすると、ねじれ角度βを28°〜32°の間に設定した場合の歯数は10枚〜12枚となる。
Note that the twist angle β is preferably 32 ° or less in terms of the tooth profile processing step. From the above formula, if D / B = x is within the range of 1.1 to 1.15, the number of teeth is 10 to 12 when the twist angle β is set between 28 ° and 32 °. It becomes.
円弧歯形でM=20、Z=10、A=200、β=31°、B=209、容量4189cc/revの円弧歯車ポンプを製作し、既知のインボリュート歯車ポンプと比較した。性能対比として用いたインボリュート歯車ポンプは、M=14、Z=14、A=200、β=2.4°、B=209、容量4080cc/revである。性能に関わる軸径、軸受長さ等は両者で同一とした。液粘度約300Pa・s、吐出圧力20MPaGにおいて、円弧歯車ポンプはインボリュート歯車ポンプと同等の性能を得た。また、円弧歯形では理論上閉じ込み現象が発生しないが、閉じ込みの評価として吐出圧力脈動を測定すると、円弧歯車ポンプでは0.4%、インボリュート歯車ポンプでは4%となった。何れも、液粘度約300Pa・s、吐出圧力20MPaG、回転数30rpmの運転条件での値である。吐出圧力脈動は測定位置その他の測定環境によって変化するものの、円弧歯車ポンプはインボリュート歯車ポンプに対し吐出脈動が1/10まで減少した。
An arc gear pump having an arc tooth profile with M = 20, Z = 10, A = 200, β = 31 °, B = 209, and a capacity of 4189 cc / rev was manufactured and compared with a known involute gear pump. The involute gear pump used for performance comparison has M = 14, Z = 14, A = 200, β = 2.4 °, B = 209, and capacity 4080 cc / rev. The shaft diameter, bearing length, etc. related to performance were the same in both cases. At a liquid viscosity of about 300 Pa · s and a discharge pressure of 20 MPaG, the circular gear pump obtained the same performance as the involute gear pump. Further, although the constriction phenomenon does not theoretically occur in the arc tooth profile, when the discharge pressure pulsation is measured as an evaluation of confinement, it is 0.4% for the arc gear pump and 4% for the involute gear pump. All are values under the operating conditions of a liquid viscosity of about 300 Pa · s, a discharge pressure of 20 MPaG, and a rotation speed of 30 rpm. Although the discharge pressure pulsation changes depending on the measurement position and other measurement environments, the discharge pulsation of the circular gear pump is reduced to 1/10 compared to the involute gear pump.
ところで、既に述べたように、本実施形態の歯車ポンプ100は、高圧、高粘度の流体の圧送を主たる用途としている。従って、高粘度流体を歯車2、3の歯溝内に十分に吸入できるよう、並びに、歯溝に捉えた高圧流体の歯先漏れを低減できるよう、ケーシング1の内周形状を成形しなくてはならない。以降、図2を参照して詳述する。ここで、回転する歯車2、3の歯先がケーシング1の内周面に極近接を開始する位置をP1、P1、歯先がケーシング1の内周面より離反し始める位置をP2、P2、両歯車2、3のピッチ点をP0、各歯車2、3の中心をPc、Pcとおく。
By the way, as already described, the
高粘度の流体を歯溝内に円滑に導くためには、両歯車2、3の中心Pc、Pcを通る直線と、歯車2、3の中心Pc及び歯先の摺接開始点P1を結ぶ線分とがなす角E1について、側断面視(歯車軸に直交する面で切断した断面視)0°〜6°程度の大きさを確保する必要がある。但し、摺接開始点P1の位置は、両歯車2、3の中心Pc、Pcを通る直線よりも吐出側にあるものとする。また、歯先漏れを低減するには、歯先の摺接開始点P1から摺接終了点P2までの(Pcを中心とした)円弧角E4について、側断面視72°以上の大きさを確保することが好ましい。円弧角E4は、歯車2、3の歯溝2つ分以上を確保することが目安となる。とは言え、E4を大きくすれば吐出口12に連通する流路が狭くなり、流体の吐出過程に支障を来しかねないので、E4は側断面視108°程度までの大きさに抑えるべきである。
The high viscosity fluids in order to guide smoothly in the tooth groove, the center P c of the
E1を0°以上とし、E4を72°〜108°とした場合、摺接開始点P1及びピッチ点P0を結ぶ線分と、摺接終了点P2及びピッチ点P0を結ぶ線分とがなす角E2は側断面視33°〜66°となる。よって、両歯車2、3についての摺接終了点P2、P2とピッチ点P0とをそれぞれ結ぶ2本の線分がなす角E3は、側断面視48°〜102°とする。逆に言えば、所要のE1、E2(または、E4)を確保するためには、E3の上限を102°程度とする必要がある。言うまでもなく、E3の下限を48°程度としたのは、歯溝に捉えられ移送された流体を円滑に吐出口12に向けて流下させるためである。
When E 1 is set to 0 ° or more and E 4 is set to 72 ° to 108 °, a line segment connecting the sliding contact start point P 1 and the pitch point P 0 is connected to the sliding contact end point P 2 and the pitch point P 0 . lines and the angle E 2 is a side cross-sectional view 33 ° -66 °. Therefore, the sliding
本実施形態によれば、対をなし噛合する歯車2、3の回転により流体を吸込側から吐出側へ移送する歯車ポンプ100において、前記歯車2、3を、一点連続接触歯形のやまば歯車とし、かつ、各歯車2、3について、歯車外径Dの歯幅Bに対する比D/Bを1.1〜1.15に設定したため、流体の閉じ込み現象に伴う軸受への悪影響を回避し得る。その上で、D/Bを1.1〜1.15に設定することで、軸受荷重を抑制しながら効率を確保でき、ポンプ外形を徒に大型化させることもない。本実施形態の歯車ポンプ100は、従前のインボリュート歯車ポンプと比較して、高圧、高粘度の流体の移送により適したものとなる。
According to the present embodiment, in the
また、角度E3を48°〜102°、角度E44を72°〜108°としているため、流体を歯車2、3の歯溝内に十分に吸入でき、かつ歯溝に捉えた流体の歯先漏れを低減せしめることができる。
Further, the angle E 3 48 ° ~102 °, since the angle E4 4 and 72 ° -108 °, fluid can be sufficiently sucked into the tooth of the
以上のような構成の本発明の歯車ポンプ100は、高分子重合物若しくは溶融樹脂の製造、または高分子重合物若しくは溶融樹脂からの成形物の製造の過程で用いて、高分子重合物、溶融樹脂又は成形物を製造する用途に適用することができる。
The
例えば、図3に示すように、モノマー槽110からモノマーを本発明の歯車ポンプ100を用いて重合槽120に移送して、高分子重合物を製造したり、高分子重合物を歯車ポンプ100を介して成形装置300又は紡糸装置400に移送して、その成形物を製造する過程に供することができる。また、本発明の歯車ポンプ100を用いた高分子重合物を製造する過程と、その成形物を製造する過程とを一体化して、図3に示すような単一の製造ラインを構築してもよい。なお、図3に示すモノマー槽110と重合槽120とは、それぞれ樹脂ペレット槽と溶融樹脂槽とに置き換えて、溶融樹脂の製造及びその成形物の製造ラインを形成することもできる。
For example, as shown in FIG. 3, the monomer is transferred from the
さらに、図3に示すモノマー槽110、歯車ポンプ100及び重合槽120によって重合装置200を形成することも可能である。また、成形装置300又は紡糸装置400と歯車ポンプ100とは別体であっても、歯車ポンプ100を組み込んだ成形装置300又は紡糸装置400であってもよい。
Furthermore, the
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. The specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本願は、2005年2月24日に出願された日本特許出願番号2005−048965に基づき優先権主張をするものであり、同出願の明細書、図面および特許請求の範囲を含む出願内容は、すべてを参照してここに含める。 This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2005-048965 filed on Feb. 24, 2005, and the contents of the application including the specification, drawings and claims of the application are all And include it here.
本発明の歯車ポンプは、例えば、石油プラントや化学プラント、重合プラント、成形・紡糸装置等において溶融樹脂その他の高分子重合物等を高圧で移送する用途に好適に使用することができるが、これらに限らずあらゆる高圧、高粘度の流体の移送用途に用いることができる。 The gear pump of the present invention can be suitably used for, for example, an application for transferring a molten resin or other polymer polymer at a high pressure in a petroleum plant, a chemical plant, a polymerization plant, a molding / spinning apparatus, etc. The present invention can be used not only for transferring high-pressure and high-viscosity fluids.
Claims (16)
前記ケーシング内に設けられ、互いに噛合して回転により前記流体を前記吸込口から前記吐出口へと移送する一対の歯車とを備え、
前記一対の歯車は、一点連続接触歯形のやまば歯車であり、
該歯車のそれぞれの外径と歯幅との比が、1.1〜1.15であることを特徴とする歯車ポンプ。
A casing having a suction port through which a fluid is introduced and a discharge port through which the fluid is discharged;
A pair of gears provided in the casing and meshing with each other to transfer the fluid from the suction port to the discharge port by rotation;
The pair of gears are one-point continuous contact tooth-shaped helical gears,
A gear pump characterized in that a ratio of an outer diameter and a tooth width of each gear is 1.1 to 1.15.
The gear pump according to claim 1, wherein the number of teeth of each of the gears is 10 to 12, and the twist angle of each of the gears is 28 ° to 32 °.
回転する前記歯車のそれぞれの歯先が該ケーシングの内周面より離反する位置と、該歯車のピッチ点とをそれぞれ結んだ線分のなす角度は、側断面視48°〜102°である請求項1記載の歯車ポンプ。
In the inner peripheral shape of the casing,
An angle formed by a line segment connecting a position where each tooth tip of the rotating gear is separated from an inner peripheral surface of the casing and a pitch point of the gear is 48 ° to 102 ° in a side sectional view. The gear pump according to Item 1.
回転する前記歯車のそれぞれの歯先が該ケーシングの内周面より離反する位置と、該歯車のピッチ点とをそれぞれ結んだ線分のなす角度は、側断面視48°〜102°である請求項2記載の歯車ポンプ。
In the inner peripheral shape of the casing,
An angle formed by a line segment connecting a position where each tooth tip of the rotating gear is separated from an inner peripheral surface of the casing and a pitch point of the gear is 48 ° to 102 ° in a side sectional view. Item 3. The gear pump according to Item 2.
回転する前記歯車の歯先が前記ケーシングの内周面に極近接する位置から、該歯車の歯先が該ケーシングの前記内周面より離反する位置までの円弧角は、側断面視72°〜108°である請求項1記載の歯車ポンプ。
In the inner peripheral shape of the casing,
The arc angle from the position where the tooth tip of the rotating gear is in close proximity to the inner peripheral surface of the casing to the position where the tooth tip of the gear is separated from the inner peripheral surface of the casing is 72 ° to a side sectional view. The gear pump according to claim 1, wherein the gear pump is 108 °.
回転する前記歯車の歯先が前記ケーシングの内周面に極近接する位置から、該歯車の歯先が該ケーシングの前記内周面より離反する位置までの円弧角は、側断面視72°〜108°である請求項2記載の歯車ポンプ。
In the inner peripheral shape of the casing,
The arc angle from the position where the tooth tip of the rotating gear is in close proximity to the inner peripheral surface of the casing to the position where the tooth tip of the gear is separated from the inner peripheral surface of the casing is 72 ° to a side sectional view. The gear pump according to claim 2, wherein the gear pump is 108 °.
回転する前記歯車の歯先が前記ケーシングの内周面に極近接する位置から、該歯車の歯先が該ケーシングの前記内周面より離反する位置までの円弧角は、側断面視72°〜108°である請求項3記載の歯車ポンプ。
In the inner peripheral shape of the casing,
The arc angle from the position where the tooth tip of the rotating gear is in close proximity to the inner peripheral surface of the casing to the position where the tooth tip of the gear is separated from the inner peripheral surface of the casing is 72 ° to a side sectional view. The gear pump according to claim 3, wherein the gear pump is 108 °.
回転する前記歯車の歯先が前記ケーシングの内周面に極近接する位置から、該歯車の歯先が該ケーシングの前記内周面より離反する位置までの円弧角は、側断面視72°〜108°である請求項4記載の歯車ポンプ。In the inner peripheral shape of the casing,
The arc angle from the position where the tooth tip of the rotating gear is in close proximity to the inner peripheral surface of the casing to the position where the tooth tip of the gear is separated from the inner peripheral surface of the casing is 72 ° to a side sectional view. The gear pump according to claim 4, wherein the gear pump is 108 °.
A spinning device using the gear pump according to claim 2.
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