KR20130049160A

KR20130049160A - 자기 구동 펌프

Info

Publication number: KR20130049160A
Application number: KR1020120123464A
Authority: KR
Inventors: 후안잔 치엔; 친청 왕; 츠시엔 스; 츠콴 스
Original assignee: 아쏘마 아이엔씨.
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-05-13
Also published as: EP3246575A1; ES2656979T3; RU2012146840A; JP5575202B2; TW201320547A; EP2589811A2; EP3273064A1; US20170234326A1; TWI424661B; EP3273064B1; US10190593B2; JP2014058986A; JP5796095B2; ES2831823T3; EP3246575B1; US20130115053A1; KR101390792B1; US10267327B2; US9670934B2; US20170234327A1

Abstract

본 발명은 고정축의 강성을 개선하기 위한 씰리스 자기 구동 펌프, 더욱 구체적으로, 부식 방지 케이싱 라이너를 가진 금속 자기 구동 펌프에 관한 것이다. 자기 구동 펌프는 부식성 유체와 관련된 제조 공정들에서 사용된다. 특히, 펌프는 고 부식성 및 (200℃까지의) 고온 조건에서 앞쪽 지지부의 강성을 개선하기 위해서 사용된다. 고정축은 펌프 유입구에서 펌프 케이싱으로 통합된 그리고 불소 중합체로 만들어진 수지 벽으로 둘러싸인 금속 앞쪽 지지부; 고정축을 위한 보조 지지를 제공하는 격납 쉘의 밀봉된 바닥측에 위치된 뒤쪽 축 시트; 및 낮은 NPSHr을 제공하기 위해 유입구 흐름 속도를 줄이기 위한 도관을 포함하는 임펠러를 포함한다.

Description

자기 구동 펌프{MAGNETIC DRIVE PUMP}

본 발명은 자기 구동 펌프, 보다 구체적으로, 자기 구동 펌프가 섭씨 200도(℃)에서 안정적으로 작동하게 하기 위해서, 그리고, 유체를 이송할 때 자기 구동 펌프를 위한 고성능 요건들을 충족시키기 위해서, 고정축 및 부식 방지 케이싱 라이너를 가진 금속 펌프 케이싱을 포함하는 자기 구동 펌프에 관한 것이다. 또한, 고정축 지지 구조를 가진 일체형 케이싱 및 케이싱의 흐름 도관 구조는 불소 중합체 요소 구조 상의 온도 영향을 줄이기 위해 고정축의 지지 강성을 향상시키도록, 그리고, 자기 구동 펌프의 성능, 안정성 및 수명을 향상시키도록 개선된다.

일반적으로, 본 기술분야에서 공지된 씰리스 자기 구동 펌프(sealless magnetic drive pump)는 부식 방지 또는 누출 방지를 위해 사용된다. 구조 설계에서, 자기 구동 펌프는 고정축 또는 회전축 중 어느 하나를 포함한다. 고정축을 위한 지지 방법은 양측 지지(double-sided-supporting) 또는 캔틸레버 지지 구조(cantilever supporting structure)를 포함하고, 고정축을 가진 자기 구동 펌프의 고정축 지지부의 재료는 플라스틱 재료이거나 금속을 가진 보강 플라스틱 재료이다. 고정축의 앞쪽 단부 및 뒤쪽 단부는 플라스틱으로 만들어진 삼각형 앞쪽 지지부 및 격납 쉘의 밀봉된 뒤쪽 축 시트에 의해서 각각 지지된다. 섬유 보강 구조가 격납 쉘의 바닥측을 덮는다. 작동 온도가 상승할 때 플라스틱의 강성이 감소될 뿐만 아니라, 삼각형 앞쪽 지지부의 강성 및 뒤쪽 축 시트의 강성도 따라서 감소되고, 고정축이 구부러지거나 이동되게 한다. 고정축의 뒤쪽 단부에서 캔틸레버 지지부는 격납 쉘의 금속-보강 바닥측에 의해서 지지되고, 지지 강성은 캔틸레버 고정 축 상에 가해지고 격납 쉘로 확산되는 반경방향 힘에서 비롯되어, 격납 쉘의 변형을 감소시키고 고정축의 조작을 향상시킨다. 그러나, 강성은 격납 쉘의 섬유 보강 플라스틱의 온도에 의해서 제한된다. 이하의 종래 기술들은 자기 구동 펌프의 고정축에 관한 문제점들 및 잠재적인 문제점들을 더 설명한다.

사례 1:

US7033146: 밀봉된 자기 구동 씰리스 펌프, 2006년. 이 특허는 시운전(dry-run) 상태를 위한 베어링 설계를 설명한다. 실제로, 상기 발명의 도면들은 종래의 플라스틱 자기 구동 펌프의 양측 고정축 및 유입구의 내부 공간에 설치되고 중심 구멍을 통해 축방향으로 연장하는 삼각형 앞쪽 지지부를 개시한다. 앞쪽 축 시트는 삼각형 앞쪽 지지부의 뒤쪽 단부 상에 그리고 고정축의 일 단부를 지지하기 위한 중심 구멍의 내측 상에 위치된다. 상기 특허는 삼각형 앞쪽 지지부에 의해서 유입구 도관의 흐름 저항을 가능한 한 많이 줄이려고 한다. 격납 쉘은 컵 형상 쉘 구조이고, 어떠한 관통 구멍도 없는 뒤쪽 축 시트가 고정축의 타 단부를 지지하기 위한 격납 쉘의 바닥측 상에 위치된다. 증가된 온도로 인해 삼각형 앞쪽 지지부의 강성 및 격납 쉘의 강성은 쉽게 감소된다. 도면에 개시된 것과 같이, 삼각형 앞쪽 지지부에 의해서 유입구 도관 상의 충격을 줄이기 위해서, 삼각형 앞쪽 지지부의 길이가 의도적으로 연장되어서, 앞쪽 축 시트는 중심 구멍을 통과한다. 그러나, 그러한 구조는 반경방향으로의 삼각형 앞쪽 지지부의 강도를 감소시킬 수 있으며, 낮은 온도에서 저출력을 가진 장치에만 사용되어야 한다.

사례 2:

US7057320: 자력에 의해 작동하는 기계 구동 시스템, 2006년. 이 특허는 자기 구동 펌프의 외부 회전자의 구조 및 설계를 개시하고, 이 특허의 도면은 종래의 자기 구동 펌프의 양측 지지 고정축, 및 유입구의 내부 공간에 위치되고 사출 성형에 의해서 일체로 펌프 케이싱과 통합하는 삼각형 앞쪽 지지부를 명확하게 나타낸다. 삼각형 앞쪽 지지부는 임펠러 블레이드의 유입구 부근을 향해서 축방향으로 연장한다. 앞쪽 스러스트 링은 삼각형 앞쪽 지지부의 앞쪽 축 시트의 단부 표면 상에 설치되며, 스러스트 베어링은 중심 판 상에 설치되고 임펠러의 유입구를 향해서 돌출한다. 격납 쉘은 컵 형상 쉘 구조이고, 고정축의 타 단부를 지지하기 위해서 어떠한 관통 구멍도 없는 뒤쪽 축 시트가 격납 쉘의 바닥측 상에 위치된다. 삼각형 앞쪽 지지부 및 스러스트 링의 앞쪽 축 시트로부터 유입구 도관의 흐름 저항을 감소시키기 위해서, 임펠러의 유입구의 직경은 펌프의 유입구의 내경보다 더 커지도록 증가되어서, 흐름 저항이 감소될 수 있다. 그러나, 임펠러의 중심 판 및 앞쪽 축 시트는 매끄러운 표면(smooth surface)으로 되어있지 않아서, 임펠러의 앞 가장자리에서의 흐름을 간섭할 것이며, 보다 낮은 흐름 저항의 이점이 감소된다.

사례 3:

CN2482597Y: 자기 구동 부식 방지 불소 중합체 라이너 펌프, 2002년. 이 특허는 케이싱 라이너를 가진 금속 펌프 케이싱을 포함하는 자기 구동 펌프를 개시하며, 불소 중합체로 만들어진 케이싱 라이너의 구조와 부식 방지를 위한 그것의 사용을 설명한다. 자기 구동 펌프는 케이싱 라이너와 함께 일체로 통합된 축 지지부를 포함하고, 케이싱 라이너는 불소 중합체로 만들어진다. 불소 중합체로 만들어진 격납 쉘은 컵 형상 쉘 구조이고, 고정축의 타 단부를 지지하기 위해서 격납 쉘의 바닥측 상에 어떠한 관통 구멍도 없는 뒤쪽 축 시트가 위치된다. 그러나, 이 특허는 불소 중합체로 만들어지는 양측 지지 고정축의 지지 구조가 탄성적으로 변형될 수 있으며, 펌프가 작동할 때 축의 진동이 감소될 수 있음을 나타낸다. 그러나, 이 특허는 200℃의 고온까지 구조의 강성 및 안정성이 적용될 수 있는지에 대해서 개시하지 않고 있다.

사례 4:

US5895203: 분리가능한 다중 임펠러 조립체를 구비하는 원심 펌프, 1999년. 이 특허는 플라스틱 케이싱 라이너 및 양측 지지 고정축 구조를 가지는 금속 펌프 케이싱을 포함하는 자기 구동 펌프를 개시한다. 분리가능한 삼각형 앞쪽 지지부는 유입구의 내부 링 표면 내에 고정된 외부 링에 의해서 유입구의 내경 공간 내에 설치된다. 축 지지부의 중심에 위치되는 앞쪽 축 시트는 고정축을 위한 앞쪽 단부 지지부를 제공하기 위해 사용된다. 이 특허는 삼각형 앞쪽 지지부가 힘 또는 진동을 받을 때 고정축의 앞쪽 단부 지지부의 내구성을 향상시키기 위해 부식 방지 재료로 피복된 보강 재료를 포함하는 삼각형 앞쪽 지지부를 강조한다. 또한, 이 특허는 삼각형 앞쪽 지지부의 앞쪽 축 시트의 외경이 감소될 수 있도록 고정축의 뒤쪽 단부의 직경보다 고정축의 앞쪽 단부의 직경이 더 작아야 한다는 것을 강조하며, 노즈의 표면은 흐름 요건을 충족시키기 위해서 매끄러운 만곡 표면으로 만들어진다. 고정축의 앞쪽 측면이 펌프의 유입구 내에 설치될 때, 임펠러 내로의 흐름의 저항은 감소될 수 있다.

사례 5:

US6280156B1: 자기로 연결된 회전 펌프, 2001. 이 특허는 외부 회전자 형태의 자기 구동 펌프를 개시한다. 이 특허는 플라스틱 라이너 없이 금속으로 만들어진 수직 자기 구동 펌프는 유지보수 동안에 이송된 유체를 완전히 배수할 수 있다는 것을 강조한다. 고정축은 삼각형 앞쪽 지지부 및 원뿔형 앞쪽 축 시트로 구성된 펌프 유입구에서 일측 지지 구조에 의해서 지지된다. 삼각형 앞쪽 지지부 및 원뿔형 앞쪽 축 시트는 금속 펌프 케이싱 상에 형성되고 고정된다. 원뿔형 앞쪽 축 시트는 펌프 유입구의 내부 공간 내에 위치되어서, 원뿔형 앞쪽 축 시트의 장애물(blockage)을 수용하도록 그리고 흐름 도관의 필요한 공간을 확보하도록, 펌프 유입구의 내경이 증가되어야 한다. 임펠러의 베어링은 유입구를 향하여 축방향으로 연장하는 중심 부분의 내부 공간 내에 설치되고, 원뿔형 앞쪽 축 시트의 뒤쪽 단부에서 슬리브 및 스러스트 링과 맞물리기 위해 사용된다. 따라서, 비스듬한 방향으로 점진적으로 증가되는 원뿔형 앞쪽 축 시트의 만곡 표면은 임펠러의 축방향 중심 부분의 만곡 표면에 부드럽게 연결될 수 있고, 임펠러의 유입구는 축방향 중심 부분의 외경에 일치하는 대구경(large-caliber) 설계를 사용한다. 그러므로, 이 사례는 실현 가능하다. 그러나, 구조가 불화수소산(hydrofluoric acid)과 같은 고 부식 방지 적용을 위해 사용될 것이라면, 금속 펌프 케이싱은 불소 중합체 라이너로 만들어져야 하고, 금속 펌프 케이싱의 내부 구조 표면은 불소 중합체로 피복되어야 하며, 임펠러는 보강된 금속을 가진 불소 중합체로 만들어져야 한다. 라이너 및 피복들의 최소 두께는 적어도 3mm가 되어야 해서, 원뿔형 앞쪽 축 시트의 외경의 추가적인 증가는 3mm 요건의 두 배가 될 것이다. 막이 형성되거나 피복된 모든 다른 부분들에도 유사한 증가들이 적용된다. 불소 중합체의 구조적 강도가 고려될 것이라면, 라이너 또는 피복은 더 두껍게 될 필요가 있다. 금속 보강 판이 불소 중합체로 만들어진 임펠러의 중심 판 내에 더 설치되고, 구조적 강도 및 모멘트 전달을 향상시키기 위해 임펠러의 축방향으로 연장하는 축방향 중심 부분을 포함하며, 또한, 축방향 중심 부분의 내부 공간에 설치된 베어링은 슬리브의 두께와 유사한 두께의 세라믹 베어링에 의해서 대체된다. 또한, 축방향 중심 부분의 내경 및 외경은 금속 보강 판, 양측 수지 벽 및 세라믹 베어링의 추가로 인해 크게 증가된다. 원뿔형 앞쪽 축 시트 만이 수지 벽으로 덮인다면, 원뿔형 만곡 표면의 외경은 따라서 증가되어야 하나, 피복된 라이너를 가진 축방향 중심 부분의 외경보다 여전히 훨씬 작으며, 따라서, 원뿔형 앞쪽 축 시트의 금속 부분의 경사는 임펠러의 축방향 중심 부분의 만곡 표면에 부드럽게 연결되도록 원뿔형 앞쪽 축 시트의 금속 부분의 외경을 증가시키는 것에 의해서 조절되어야 한다. 즉, 펌프 유입구의 내부 공간의 원통형 내부 표면은 원뿔형 앞쪽 축 시트의 만곡 표면 및 축방향 중심 부부의 외경과 만나기 위해 더 큰 팽창 각을 구비한다. 그러므로, 사용된 임펠러의 유입구 및 대구경 설계는 그것의 크기를 더 크게 증가시켜야 하며, 펌프 유입구 내의 유체는 보다 짧은 축방향 거리를 통해서 그리고 보다 큰 팽창 각으로 임펠러의 유입구로 흘러야 한다. 그러한 제한들에 대하여, 낮은 흐름 저항 특성을 구비하는 금속 펌프는 획득될 수 없을 것이고, 임펠러의 설계는 훨씬 더 어려워진다. 불소 중합체 임펠러의 다른 문제는, 임펠러의 무게가 크게 감소될 때, 회전자 및 임펠러로 형성된 회전자 시스템의 중심이 자기 회전자 측으로, 즉, 임펠러의 뒤쪽 단부로 이동되나, 세라믹 베어링이 축방향 중심 부분의 내부 공간에 설치되고, 즉, 세라믹 베어링의 길이 및 위치가 회전자 시스템의 중심과 일치하지 않아서, 회전자 시스템의 무게는 세라믹 베어링 상에 작용하는 큰 모멘트를 야기할 수 있고, 펌프의 수명이 보장되지 않을 수 있다는 것이다.

사례 6:

US7101158B2: 유압 균형 자기 구동 원심 펌프, 2001년. 이 특허는 자기 구동 펌프의 축방향 스러스트 균형의 문제를 설명한다. 이 발명의 도면은, 고정축의 직경이 고정되고 삼각형 앞쪽 지지부가 유입구의 내부 공간에 조립될 때, 삼각형 앞쪽 지지부의 앞쪽 축 시트의 초과 외경이 임펠러의 유입구 도관에 영향을 미치고 펌프의 성능을 저하시킨다는 것을 명확히 나타낸다. 그러므로, 임펠러의 유입구의 흐름 저항을 감소시키도록 펌프의 유입구 도관의 내경이 증가되어야 한다.

사례 7:

US7249939B2: 자기 구동 펌프를 위한 뒤쪽 케이싱 장치, 2007년. 이 발명은 양측 지지부를 가지는 고정축 또는 회전축을 포함하는 자기 구동 펌프를 개시한다. 이 발명은, 자기 구동 펌프의 격납 쉘의 강도가 더욱 고려될 필요가 있는 문제라는 것을 나타낸다. 외부 회전자와 내부 회전자의 틈은 좁고 제한되며, 고 부식 방지를 가진 플라스틱 재료는 통상적으로 열가소성이어서, 온도가 증가함에 따라서 플라스틱 재료의 강도는 감소한다. 종래 기술에서는, 제 2 보강 층이 격납 쉘의 부식 방지 층의 외부 표면에 설치된다. 이 발명에서는, 비금속 밴딩 원형 보강 요소가 두 개의 층 구조들 사이에 설치되거나 또는 측면의 원통형 부분 상에 있는 두 개의 층 구조들의 외부 표면들 상에 설치되어서, 격자 쉘의 측면의 쉘 기둥 부분의 강도가 향상된다. 이러한 방법은 섬유 스트라이프가 원주 둘레로 다중 층들로 감아 올리는 것을 가능하게 하는 종래 방식보다 더 좋다. 그러나, 이러한 방법은 격납 쉘의 뒤쪽 축 시트에 작용하는 반경방향 힘에 기인한 쉘 기둥 부분의 굽힘 변형을 효과적으로 극복할 수 없을 것이며, 또한, 이 발명은 고정축의 지지가 격납 쉘의 쉘 기둥 부분의 강도에 의해 영향을 받는다는 것을 직접 보이고 있다.

사례 8:

US6293772B1: 자기 구동 원심 펌프를 위한 격납 부재, 2001년. 이 특허는 부식 방지 케이싱 라이너를 포함하는 금속 자기 구동 펌프에 적용되고, 자기 구동 펌프의 플라스틱 삼각형 앞쪽 지지부의 강도와 자기 구동 펌프의 격납 쉘의 강도가 모두 더 고려될 필요가 있다는 것을 명확히 나타낸다. 삼각형 앞쪽 지지부는 임펠러의 유입구 도관에 종종 영향을 미쳐서, 펌프의 성능이 감소된다. 격납 쉘의 강도는 유압에 저항할 뿐만 아니라, 고정축을 위한 지지를 제공한다. 이 발명은, 디스크 형상 금속 보강 요소가 격납 쉘의 바닥측의 내부 층과 외부 층 구조 사이에 끼워지고, 캔틸레버 고정축에 가해지는 반경방향 힘은 격납 쉘의 쉘 기둥 부분으로 고르게 전달할 수 있으며, 또한, 보강 요소는 보다 작은 직경을 구비하고 고정축의 지지 및 조작을 향상시키기 위해서 축방향으로 안쪽으로 연장하는 연장 부분을 포함해서, 격납 쉘의 강도가 캔틸레버 방식으로 고정축을 지지할 수 있다는 것이다. 그러므로, 캔틸레버 고정축은 삼각형 앞쪽 지지부 도움없이 보다 낮은 NPSHr 요건을 충족시키고, 충분한 강도를 구비한다. 그러나, 이 발명은 보강 후에 고정축이 위로 위치되는 것(up-positioned)을 방지하기 위한 격납 쉘의 측면의 쉘 기둥 부분의 강도를 명확하게 설명하지 않는다.

요약하면, 불소 중합체로만 만들어진 펌프 부분들 또는 불소 중합체 라이너를 가진 부분들을 포함하는 자기 구동 펌프와 관련하여, 구조의 문제 및 고정축의 강도는 아래와 같이 나타난다:

1. 불소 중합체 재료의 강도의 취약

2. 고정축의 지지구조를 위한 강성 요건

3. 유입구 도관의 흐름 저항 문제

4. 임펠러의 유입구 도관의 필요한 유효 흡입 헤드(Net Positive Suction Head required, NPSHr)의 문제

5. 쉘 기둥 부분 및 바닥 부분을 포함하는 격납 쉘의 강도 문제

그러나, 상기 언급된 특허들에서의 해결책들의 각각은 고 강성을 가진 고정축이 200℃의 고온에서 유체를 이송할 수 있는 요건을 충족할 수 없다. 상기 언급된 문제를 해결하기 위해서, 자기 구동 펌프가 본 발명에 설명된다. 이하 본 발명이 상세하게 설명된다.

본 발명은 자기 구동 펌프, 더욱 구체적으로, 앞쪽 단부와 뒤쪽 단부 지지부들을 가지는 고정축의 보강 구조에 관한 것이다. 자기 구동 펌프의 구성요소들은 불소 중합체로 만들어진 케이싱 라이너 또는 수지 벽으로 통상적으로 덮인다. 소위 불소 중합체는 퍼플루오로알콕시(perfluoroalkoxy, PFA), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ethylene tetrafluoroethylene, ETFE)가 될 수 있고, 고 신장성 및 고 압축성과 같은 구성요소들의 몇몇의 기계적 특성들을 가진다. 이러한 구성요소들은 펌프 케이싱, 임펠러 및 격납 쉘을 포함한다. 불소 중합체의 녹는점은 300℃ 이상이나, 온도가 증가함에 따라서 불소 중합체들의 강도는 점진적으로 감소된다. 그러므로, 본 발명은 불소 중합체 구성요소들의 강도 요건들을 보상하기 위해서 주철 또는 스테인리스강으로 만들어진 펌프 케이싱의 구조물 강성을 사용해서, 펌프는 200℃ 까지의 온도에서 높은 안정성을 가지고 작동할 수 있다. 고 강성 유입구 앞쪽 지지부는 고정축을 위한 충분한 지지 강성을 제공할 수 있다. 고정축의 지지 요건들을 충족시키기 위해서, 앞쪽 지지부, 유입구, 와류실 및 임펠러 도관들은 고정축의 높은 강성 지지를 획득하기 위해서 그리고 앞쪽 지지부에 의해 발생된 유입구 도관의 흐름 저항을 크게 줄이기 위해서 통합 설계된다. 펌프의 격납 쉘은 누출 없는 밀봉, 온도 저항 및 압력 저항을 위해 사용되고, 고정축의 단부를 위한 보조 지지를 제공한다.

앞쪽 지지부는, 주철 또는 스테인리스강으로 만들어지고 펌프 케이싱의 내측을 향하여 축방향으로 연장하는 두 개의 리브 판들을 포함한다. 리브 판들은 펌프 케이싱의 유입구의 내부 표면으로부터 안쪽으로 연장하고, 두 개의 리브들이 서로에 대해 직각인 수직 구조로 결합하면서 내경의 중심에서 함께 결합한다. 이하의 문단들에서, 모든 앞쪽 지지부들은 직각 구조의 특징을 구비한다. 원뿔형 몸체는 두 개의 리브 판들의 결합으로 형성되고, 원뿔형 몸체의 중심은 내경의 중심에 일치한다. 원뿔형 몸체는 펌프 케이싱의 뒤쪽 측면을 향해 안쪽으로 연장한다. 앞쪽 축 시트는 앞쪽 지지부의 뒤쪽 단부에 위치된다. 리브 판들은 원뿔형 몸체의 축방향 길이를 따라서 축방향으로 연장하고, 리브 판들의 폭은 앞쪽 축 시트의 외경과 들어맞도록 점진적으로 감소하며, 앞쪽 축 시트는 중심 구멍을 관통하고, 앞쪽 축 시트의 원호는 중심 판과 매끄러운 만곡 표면(smooth curve surface)을 형성한다. 앞쪽 지지부의 외측은 불소 중합체로 완전히 둘러싸이고, 펌프 케이싱의 케이싱 라이너와 일체로 통합된다.

와류실은 앞쪽 측면의 소용돌이 구조(vortex structure)를 구비하고, 펌프의 배출구의 중심의 내측에 위치된 임펠러 출력의 흐름 중심선을 만든다. 그러므로, 앞쪽 지지부에 의해 발생된 임펠러의 유입구에서의 흐름 간섭이 크게 감소될 수 있도록, 펌프 유입구로부터 임펠러 유입구까지의 흐름 거리는 충분히 길다.

임펠러 도관의 구조의 설계는, 덮개 표면(shroud surface)이 중심 판을 향하여 작은 기울기 각을 갖는 고정축과 직교하고, 중심 판은 덮개 표면을 향하여 기울기 각으로 고정축과 직교하고, 고정축 근처의 중심 판의 기하학적 구조는 앞쪽 축 시트의 만곡 표면과 들어맞는 오목 설계이고, 임펠러의 블레이드 앞 가장자리의 유입 도관이 충분한 흐름 공간을 가지게 한다.

고정축은 직경이 모두 동일하게 된 세라믹 기둥으로 만들어진다. 고정축의 앞쪽 단부는 앞쪽 지지부의 앞쪽 축 시트에 의해서 지지되고, 고정축의 뒤쪽 단부는 격납 쉘의 뒤쪽 축 시트에 의해서 지지된다. 펌프가 고출력 및 고온에서 작동할 때에는, 합성 고정축이 바람직하다. 고 강성을 가진 합성 고정축은 금속 축과 함께 세라믹 축 슬리브로 만들어진다. 금속 축은 앞쪽 지지부의 금속 앞쪽 축 시트에 직접 고정되고, 고 강성을 가지는 합성 고정축을 형성하기 위해서 세라믹 축 슬리브에 대해서 고압으로 압착된다. 합성 고정축의 뒤쪽 단부는 격납 쉘의 뒤쪽 축 시트에 의해서 지지된다.

격납 쉘은 컵 형상이며, 불소 중합체 케이싱 라이너(즉, 내부 층) 및 섬유 보강 층(즉, 외부 층)을 포함하는 2층 쉘 구조이고, 원통형 그리고 컵 형상 캔틸레버 구조를 함께 형성한다. 격납 쉘의 앞쪽 단부에서 지지판에 의해서 보강된 쉘 플랜지는 펌프 케이싱과 브래킷 사이에 고정된다. 어떠한 관통 구멍도 없는 뒤쪽 축 시트가 제로 누출(zero leakage)을 보장하기 위해서 격납 쉘의 바닥측에 위치된다. 쉘 플랜지는 부식성 유체 누출을 방지하기 위해서 펌프 케이싱의 플랜지 및 브래킷의 펌프 측 플랜지에 연결된다. 금속 칼라는 고온에서 불소 중합체가 변형되는 것을 방지하기 위해 뒤쪽 축 시트의 두 개의 층들 사이에 설치되고, 따라서, 금속 칼라는 고정축 및 뒤쪽 스러스트 링을 위한 안정된 지지를 제공한다. 격납 쉘의 캔틸레버 구조는 고정축을 위한 지지 강성을 제공할 수 있다.

본 발명에 의해 달성되는 효과들이 아래와 같이 설명된다:

1. 불소 중합체의 녹는 온도는 300℃이고, 불소 중합체의 강도는 200℃ 이상에서 크게 줄어든다. 펌프가 200℃까지 높은 안정성을 가지고 작동할 수 있도록, 주철 또는 스테인리스강으로 만들어진 펌프의 구조적 강성은 불소 중합체 구성요소들과 독립적이다.

2. 앞쪽 지지부의 구조는 펌프 케이싱과 일체로 통합되고, 앞쪽 지지부는 부식성 유체를 격리하기 위해서 불소 중합체로 덮여서, 고정축의 지지 강성의 대부분은 앞쪽 지지부로부터 나오며, 격납 쉘의 뒤쪽 축 시트에 의해서 보조 지지 강성이 제공된다.

3. 펌프 케이싱의 금속 구조는 앞쪽 지지부와 일체로 통합되고, 앞쪽 지지부에 기인한 유입구의 흐름 저항을 줄이기 위해서 앞쪽 지지부의 앞쪽 축 시트가 중심 구멍을 향해 연장하도록, 앞쪽 지지부의 축방향 길이를 연장한다.

4. 도관 구조 및 임페러의 유입구 도관을 개선하기 위해서, 임펠러의 유입구에서의 흐름 속도를 줄이고 NPSHr을 낮추기 위해 유입구 도관의 횡단면 영역은 증가된다. 앞쪽 지지부에 의해 발생된 흐름 간섭이 감소되도록, 앞쪽 지지부의 횡단면 영역은 흐름의 유선과 일치한다.

5. 격납 쉘은 높은 온도 및 압력 저항을 위해서, 누출 방지를 위한 밀봉을 위해서만 사용된다. 격납 쉘의 구조는 불소 중합체로 만들어진 내부 층 구조 및 외부 층 보강 구조를 포함한다. 내부 층은 컵 형상 불소 중합체 구조이고, 내부 층의 디스크 형상의 바닥측의 중심에 어떠한 관통 구멍도 없는 뒤쪽 축 시트가 위치되며 바깥쪽으로 돌출하고 연장한다. 변형을 줄이도록 유체의 압력을 지탱하고 흐름으로부터의 충격을 지탱하기 위해서, 외부 층은 고온에서의 불소 중합체의 변형을 감소시키기 위한 열경화성 그리고 수지-섬유-보강 구조이다.

본 발명의 구조는 어떠한 출력 범위 내에서도 자기 구동 펌프가 200℃까지 안정적으로 작동하는 것을 가능하게 하고, 간단한 고정축 구조 및 합성 축 구조에 적합하다.

이하, 본 발명은 단지 이해를 돕기 위하여 제공되어서 본 발명을 제한하지 않는 상세한 설명으로부터 보다 충분히 이해될 것이다.
도 1a는 제 1 실시예에 따른 양측 지지부(double-sided-supporting)를 가진 고정축의 횡단면도이다.
도 1b는 제 2 실시예에 따른 양측 지지부를 가진 합성 고정축의 횡단면도이다.
도 2a는 제 1 실시예에 따른 펌프 유입구의 정면도이다.
도 2b는 제 2 실시예에 따른 펌프 유입구의 정면도이다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 펌프 케이싱의 뒤쪽 사시도이다.
도 4a는 제 1 실시예에 따른 펌프 유입구의 횡단면도이다.
도 4b는 제 2 실시예에 따른 펌프 유입구의 횡단면도이다.
도 5는 제 1 실시예에 따른 격납 쉘의 횡단면도이다.
도 6은 제 1 실시예에 따른 힘 및 모멘트를 지탱하는 격납 쉘의 횡단면도이다.
도 7은 제 2 실시예에 따른 힘 및 모멘트를 지탱하는 합성 격납 쉘의 횡단면도이다.

제 1 실시예: 도 1a의 양측 지지 고정축 구조를 포함하는 자기 구동 펌프.

도 1a, 3, 4a, 5 및 6을 참조하면, 도 1a는 제 1 실시예에 따른 양측 지지부를 가진 고정축의 횡단면도이고, 도 3은 제 1 실시예에 따른 펌프 케이싱의 뒤쪽 사시도이며, 도 4a는 제 1 실시예에 따른 펌프 유입구의 횡단면도이고, 도 5는 제 1 실시예에 따른 격납 쉘의 횡단면도이며, 도 6은 제 1 실시예에 따른 힘 및 모멘트를 지탱하는 격납 쉘의 횡단면도이다. 본 발명의 자기 구동 펌프는 양측 지지 고정축 구조를 포함한다. 자기 구동 펌프는 펌프 케이싱(4), 앞쪽 지지부(43), 임펠러(5), 격납 쉘(41), 내부 회전자(7), 외부 회전자(92), 고정축(3) 및 브래킷(91)을 포함한다.

주철 또는 스테인리스강으로 만들어진 펌프 케이싱(4)은 펌프 유입구(44), 배출구(45) 및 와류실(47)을 포함한다. 펌프 케이싱(4)은 내측에 임펠러(5)를 수용하기 위해 사용된다. 임펠러(5)의 유입구에 있는 스러스트 베어링(53)과 축방향 스러스트 베어링을 함께 형성하기 위해서, 펌프 케이싱(4)의 내측에 있는 펌프 유입구(44) 내에 앞쪽 스러스트 링(46)이 설치된다. 펌프 케이싱(4)의 내측에 있는 유체 접촉 측면(fluid-contacting side) 상에 케이싱 라이너(4a)가 위치되고, 케이싱 라이너(4a)는 부식성 유체를 격리(isolating)하기 위해 사용된다. 통합형(integrated) 앞쪽 지지부(43)가 펌프 유입구(44) 내에 위치된다. 펌프 케이싱(4)의 뒤쪽 단부에 설치되는 (도 3에 도시된 것과 같은) 케이싱 뒤쪽 플랜지(42)는 격납 쉘(41)의 쉘 플랜지 부분(411) 및 지지판(441a)을 조립하기 위해 사용되고, 부식성 유체의 누출이 방지되도록 브래킷(91)의 브래킷 앞쪽 플랜지(911)와 결합한다.

앞쪽 지지부(43)는, 주철 또는 스테인리스강으로 만들어지며 펌프 케이싱(4)의 내측을 향해 축방향으로 연장하는 두 개의 리브 판들(431)을 포함한다. 리브 판들(431)은 펌프 케이싱(4)의 유입구(44)의 내부 표면으로부터 안쪽으로 연장하고, 두 개의 리브 판들(431)이 서로에 대해 수직인 구조적 요소로 결합하면서 내경의 중심에서 함께 결합한다. 두 개의 리브 판들(431)의 결합물에 원뿔형 몸체(432)가 형성되고, 원뿔형 몸체(432)의 중심은 내경의 중심과 일치한다. 원뿔형 몸체(432)는 펌프 케이싱(4)의 뒤쪽 측면을 향하여 안쪽으로 연장한다. 고정축(3)의 일 단부를 지지하기 위해 앞쪽 지지부(43)의 뒤쪽 단부에 앞쪽 축 시트(433)가 위치된다. 리브 판들(431)은 원뿔형 몸체(432)의 축방향 길이에 따라서 축방향으로 연장하고, 리브형 판들(431)의 폭은 앞쪽 축 시트(433)의 외경과 맞추어지기 위해 점진적으로 감소하며, 앞쪽 축 시트(433)는 중심 구멍(54)을 통과하고, 앞쪽 축 시트(433)의 원호(arc)는 중심 판(52)과 함께 매끄러운 만곡 표면을 형성한다. 앞쪽 지지부(43)의 외부 표면은 불소 중합체(fluoropolymer)로 완전히 피복되고, 케이싱 라이너(4a)와 하나(one piece)로 통합된다.

불소 중합체로 만들어진 임펠러(5)는 펌프 케이싱(4) 내에 조립된다. 중심 구멍(54)은 중심 판(52)의 중앙에 위치된다. 앞쪽 지지부(43)는 중심 구멍(54)을 축방향으로 통과하고, 고정축(3)의 일 단부를 지지하기 위해 사용된다. 중심 판(52)의 뒤쪽 단부는, 임펠러(5) 및 내부 회전자(7)가 일체로(one-piece) 통합되거나 또는 일체로 함께 결합되도록, 내부 회전자(7)의 축방향으로 연장된 부분(76)과 결합하기 위해 사용된다. 일부 실시예들에서, (도 6에 나타낸 것과 같은) 판 형상의 임펠러 보강 판(56)이 중심 판(52) 내에 설치되고, 이송된 유체에 축동력(shaft power)을 전달하기 위해 사용된다. 또한, 임펠러 보강 판(56) 및 내부 회전자(7)의 내부 회전자 요크(72)는 일체로 통합되거나, 일체로 함께 결합될 수 있다.

격납 쉘(41)은 불소 중합체 및 보강 층(41b)으로 만들어진 격납 쉘 라이너(41a)를 포함하는 이층 쉘 구조이다. 격납 쉘(41)로부터 어떠한 누출도 없는 것을 보장하기 위해서, 어떠한 관통 구멍도 없는 뒤쪽 축 시트(413)가 격납 쉘(41)의 바닥측에 위치된다. 격납 쉘(41)의 앞쪽 단부에 설치된 쉘 플랜지 부분(411)의 지지판(411a)은 펌프 케이싱(4)의 케이싱 뒤쪽 플랜지(42)(도 3을 함께 참조) 및 브래킷(91)의 브래킷 앞쪽 플랜지(911)에 함께 연결되기 위해서 그리고 부식성 유체의 누출을 방지하기 위해 원통형의 컵 형상 캔틸레버 구조를 함께 형성하기 위해서 사용된다. 지지판(441a)은 내구력을 보장하고 쉘 플랜지 부분(411)의 앞쪽 단부를 고정하기 위해서 사용되고; (도 5에 나타낸 것과 같은) 격납 쉘(41)의 측부(lateral side) 상의 쉘 기둥 부분(412)은 외부 회전자(92)의 내부 공간(415)을 관통하며, 또한, 격납 쉘(41)의 내부 공간(415)은 내부 회전자(7)를 수용하기 위해 사용되고; 격납 쉘(41)은 내부 회전자(7)와 외부 회전자(92)를 분리하기 위해 사용되며, 격납 쉘(41)과 내부 회전자(7) 사이에 틈이 존재하고 격납 쉘(41)과 외부 회전자(92) 사이에 다른 틈이 존재해서, 부식성 유체의 누출을 초래할 수 있는 내부 회전자(7) 또는 외부 회전자(92)와 격납 쉘(41)의 마찰들이 방지되며; 격납 쉘(41)의 바닥측의 중심에 위치되는 뒤쪽 축 시트(413)는 외부 회전자(92)의 내측에서 축방향으로 그리고 바깥쪽으로 연장하고, 고정축(3)의 타단을 지지하기 위해 사용된다. 축 고정 구멍(413a)의 외측에 설치된 뒤쪽 스러스트 링(414)은 축방향 스러스트 베어링을 형성하도록 내부 회전자(7)의 세라믹 베어링(79)과 맞물리기 위해 사용된다. 금속 칼라(collar)(417)는 뒤쪽 축 시트(413)의 축 고정 구멍(143a) 외측의 이층 구조 사이에 설치되고, 불소 중합체로 만들어진 격납 쉘 라이너(41a)의 고온에서의 변형을 줄이기 위해 사용되어서, 고정축(3) 및 뒤쪽 스러스트 링(414)을 위한 안정적인 지지를 제공한다. 격납 쉘(41)은 고정축(3)을 위한 보조 강성 지지부를 제공한다.

내부 회전자(7)는 다중 내부 영구 자석들(71), 내부 회전자 요크(72) 및 축방향으로 연장된 부분(76)을 포함하는 링 형상 구조이다. 다중 내부 영구자석들(71)은 내부 회전자 요크(72)의 외부 링 표면(ring surface)상에 설치된다. 부식 방지 공업용 플라스틱으로 만들어진 회전자 수지 벽(74)은 누출을 방지하기 위해 내부 회전자(7)를 둘러싼다. 내부 회전자(7)의 중심 구멍 내에 세라믹 베어링(79)이 설치된다. 내부 회전자(7) 및 임펠러(5)가 일체로 통합되거나 일체로 함께 결합되도록, 내부 회전자(7)의 축방향으로 연장된 부분(76)은 중심 판(52)과 결합하기 위해 사용된다.

외부 회전자(92)는 다중 외부 영구자석들(93), 외부 회전자 요크(92b) 및 축 어댑터(91a)를 포함하는 고리형(ring) 컵 형상 구조이다. 축 어댑터(92a) 및 구동 모터 축(95)은 서로에게 고정된다. 다중 외부 영구자석들(93)은 외부 회전자 요크(92b)의 안쪽의 링 표면상에 설치된다. 구동 모터 축(95)은 외부 회전자(92)를 회전하도록 구동한다. 격납 쉘(41)은 내부 영구자석들(71)을 가진 내부 회전자(7) 및 외부 영구자석들(93)을 가진 외부 회전자(92) 사이에 설치되고, 외부 회전자(92)는 내부 회전자(7) 외측에 설치되고 내부 회전자(7)에 대응하게 위치되며, 외부 및 내부 자석들 모두는 반경방향으로 마주하게 배치되고 서로에 대해 자기로 끌어당긴다. 외부 회전자(92)가 회전할 때, 외부 영구자석들(93)은 내부 회전자(7)를 회전 구동하기 위해서 내부 영구자석들(71)을 끌어당긴다.

고정축(3)은 부식 방지 및 내마모성 특성들을 가진 세라믹 재료로 만들어진 양측 지지 구조이다. 고정축(3)의 앞쪽 단부는 펌프 케이싱(4)의 앞쪽 지지부(43)에 의해서 지지되고, 고정축(3)의 뒤쪽 단부는 격납 쉘(41)의 뒤쪽 축 시트(413)에 의해서 지지되고 고정된다. 고정축(3)의 중앙부는 회전을 위해 내부 회전자(7)의 세라믹 베어링(79)과 맞물린다. 내부 회전자(7)에 가해지는 결합력(combined force)을 지탱하기 위해서, 중앙부의 길이는 세라믹 베어링(79)의 길이에 따르며, 내부 회전자(7)의 축방향의 자유 이동 공간이 한정된다. 앞쪽 지지부(43)의 리브 판(431) 및 앞쪽 축 시트(433)는 고정축(3)을 위한 고 강도 지지뿐만 아니라 보유 길이(L)를 제공해서, 온도가 올라갈 때 플라스틱의 강도가 줄어드는 문제가 해결된다.

브래킷(91)은 양측 플랜지들을 가진 기둥 구조이다. 하나의 플랜지는 (도시되지 않은) 모터의 다른 플랜지와 고정하기 위해서 사용되고, 브래킷 앞쪽 플랜지(911)는 격납 쉘(41)의 쉘 플랜지 부분(411)의 지지판(411a)과 펌프 케이싱(4)의 뒤쪽 단부에 설치된 케이싱 뒤쪽 플랜지(42)에 연결되기 위해 사용되어서, 부식성 유체의 누출이 방지된다. 쉘 플랜지 부분(411)의 지지판(411a)은 강성 강도 및 고정을 보장하기 위해서 사용된다.

펌프가 작동할 때, 유체는 유선(6)을 따라서 펌프 유입구(44)로 들어가고, 유입구 유선(61)을 따라서 임펠러(5)의 유입구로 흐른다. 유체는 (임펠러 출구 유선(62)을 따르는) 임펠러(5)의 도관을 통과한 후에 가압되고, 배출구(45)를 통해 배출된다. 동시에, 복귀 유선(63)을 따르는 유체의 일부는 임펠러(5)의 뒤쪽 단부를 경유하여 격납 쉘(41)의 내부 공간(415)으로 들어가고, 내부 회전자(7)의 외측 및 격납 쉘(41)의 내경 공간(inner-diameter space) 사이의 틈을 경유하여, 즉, 윤활 유선(64)을 따라서 격납 쉘(41)의 바닥 측으로 흐른다. 그 후에, 유체는 고정축(3)과 세라믹 베어링(79) 사이의 틈을 통하고 중심 구멍(54)을 통해서, 즉, 단부 윤활 유선(65)을 따라서 흐르고, 임펠러(5)의 유입구로 다시 되돌아온다. 그러한 유체의 순환 흐름은 세라믹 베어링(79)을 위해 윤활을 제공하고, 윤활에 의해 발생된 열을 방산하기 위해 사용된다.

제 2 실시예: 도 1b의 양측 지지 합성 고정축을 포함하는 자기 구동 펌프는 고출력 및 고온에 적용된다.

도 1b, 4b 및 7을 참조하면, 도 1b는 제 2 실시예에 따른 양측 지지부를 가진 합성 고정축의 횡단면도이고, 도 4b는 제 2 실시예에 따른 펌프 유입구의 횡단면도이며, 도 7은 제 2 실시예에 따른 힘 및 모멘트를 지탱하는 합성 격납 쉘의 횡단면도이다. 본 발명의 자기 구동 펌프는 양측 지지 합성 고정축을 포함한다. 자기 구동 펌프는 펌프 케이싱(4), 앞쪽 지지부(43), 임펠러(5), 격납 쉘(41), 내부 회전자(7), 외부 회전자(92), 합성 고정축(3a) 및 브래킷(91)을 포함한다.

주철 또는 스테인리스강으로 만들어진 펌프 케이싱(4)은 펌프 유입구(44), 배출구(45) 및 와류실(47)을 포함한다. 펌프 케이싱(4)은 내측에 임펠러(5)를 수용하기 위해 사용된다. 축방향 스러스트 베어링을 함께 형성하기 위해서, 임펠러(5)의 유입구의 스러스트 베어링(53)과 맞물리도록 펌프 케이싱(4)의 내측에 있는 펌프 유입구(44) 내에 앞쪽 스러스트 링(46)이 설치된다. 펌프 케이싱(4)의 내측에 있는 유체 접촉 측면 상에 케이싱 라이너(4a)가 위치되고, 케이싱 라이너(4a)는 부식성 유체를 격리하기 위해서 사용된다. 통합형 앞쪽 지지부(43)는 펌프 유입구(44) 내에 위치된다. 펌프 케이싱(4)의 뒤쪽 단부 상에 설치된 (도 3에 도시된 것과 같은) 케이싱 뒤쪽 플랜지(42)은 격납 쉘(41)의 쉘 플랜지 부분(411)과 지지판(411a)을 조립하기 위해 사용되고, 부식성 유체의 누출이 방지되도록 브래킷(91)의 브래킷 앞쪽 플랜지(911)와 결합한다.

앞쪽 지지부(43)는, 주철 또는 스테인리스강으로 만들어지고 펌프 케이싱(4)의 내측을 향해 축방향으로 연장하는 두 개의 리브 판들(431)을 포함한다. 리브 판들(431)은 펌프 케이싱(4)의 유입구(44)의 내부 표면으로부터 안쪽으로 연장하고, 두 개의 리브 판(431)이 서로 수직인 구조적 요소로 결합하면서 내경의 중심에서 함께 결합한다. 두 개의 리브 판들(431)의 결합물에 원뿔형 몸체(432)가 형성되고, 원뿔형 몸체(432)의 중심은 내경의 중심과 일치한다. 원뿔형 몸체(432)는 펌프 케이싱(4)의 뒤쪽 측면을 향하여 안쪽으로 연장한다. 고정축(3)의 일 단부를 지지하기 위해 앞쪽 지지부(43)의 뒤쪽 단부에 앞쪽 축 시트(433)가 위치된다. 리브 판들(431)은 원뿔형 몸체(432)의 축방향 길이를 따라서 축방향으로 연장하고, 리브 판들(431)의 폭은 앞쪽 축 시트(433)의 외경과 맞추어지기 위해 점진적으로 감소되며, 앞쪽 축 시트(433)는 중심 구멍(54)을 통과하고, 앞쪽 축 시트(433)의 원호는 중심 판(52)과 함께 매끄러운 만곡 표면을 형성한다. 앞쪽 지지부(43)의 외부 표면은 불소 중합체로 완전히 피복되고, 케이싱 라이너(4a)와 일체로 통합된다.

(도 4b에 도시된 것과 같은) 축 보유부 구멍(433a)은 내측이 피복되어 있지 않다. 축 보유 구멍(433a)은 축 보유 구멍(433a)의 중앙에 나사 구멍(433b)을 포함하고, 나사 구멍(433b)은 합성 고정축(3a)의 금속 축(32)의 단부에 있는 나사부를 견고하게 고정하기 위해서 사용된다. 축 보유 구멍(433a)의 내경은 금속 축(32)의 외경과 헐거운 맞춤(loose fit)으로 맞물린다. 앞쪽 축 시트(433)의 표면은 구속 표면(435) 및 밀봉 표면(43c)인 두 개의 링 형상 표면들로 분할된다. 구속 표면(435)은 합성 고정축(3a)의 지지 강도를 보장하기 위해서 세라믹 축 슬리브(33)의 표면에 대해 견고하게 압착되고 부착되며, 부식성 유체의 누출이 방지될 수 있도록 밀봉 표면(43c)에서 수지 벽(43a)의 정상 압축비(right compression ratio)를 유지한다.

불소 중합체로 만들어진 임펠러(5)는 펌프 케이싱(4) 내에 조립된다. 중심 구멍(54)은 중심 판(52)의 중앙에 위치된다. 앞쪽 지지부(43)는 중심 구멍(54)을 축방향으로 통과하고, 합성 고정축(3a)의 일 단부를 지지하기 위해 사용된다. 임펠러(5) 및 내부 회전자(7)가 일체로 통합되거나 일체로 함께 결합되도록, 중심 판(52)의 뒤쪽 단부는 내부 회전자(7)의 축방향으로 연장된 부분(76)과 결합하기 위해 사용된다. 일부 실시예들에서, (도 6에 도시된 것과 같은) 판 형상의 임펠러 보강 판(56)이 중심 판(52) 내에 설치되고, 이송된 유체에 축동력을 전달하기 위해서 사용된다. 또한, 임펠러 보강 판(56) 및 내부 회전자(7)의 내부 회전자 요크(72)는 일체로 통합되거나 일체로 함께 결합될 수 있다.

격납 쉘(41)은 불소 중합체로 만들어진 격납 쉘 라이너(41a) 및 보강 층(41b)을 포함하는 이층 쉘 구조이다. 격납 쉘(41)로부터 어떠한 누출도 없는 것을 보장하기 위해서, 어떠한 관통 구멍도 없는 뒤쪽 축 시트(413)가 격납 쉘(41)의 바닥측에 위치된다. 격납 쉘(41)의 앞쪽 단부에 설치된 쉘 플랜지 부분(411)의 지지판(411a)은 펌프 케이싱(4)의 케이싱 뒤쪽 플랜지(42)(도 3을 함께 참조) 및 브래킷(91)의 브래킷 앞쪽 플랜지(911)에 함께 연결되기 위해서 그리고 부식성 유체의 누출을 방지하기 위해 원통형의 컵 형상 캔틸레버 구조를 함께 형성하기 위해서 사용된다. 지지판(411a)은 강도를 보장하고 쉘 플랜지 부분(411)의 앞쪽 단부를 고정하기 위해서 사용되고; (도 5에 도시된 것과 같은) 격납 쉘(41)의 측부 상의 쉘 기둥 부분(412)은 외부 회전자(92)의 내부 공간(415)을 관통하며, 또한, 격납 쉘(41)의 내부 공간(415)은 내부 회전자(7)를 수용하기 위해 사용되고; 격납 쉘(41)은 내부 회전자(7) 및 외부 회전자(92)를 분리하기 위해 사용되며, 격납 쉘(41)과 내부 회전자(7) 사이에 틈이 존재하고 격납 쉘(41)과 외부 회전자(92) 사이에 다른 틈이 존재해서, 부식성 유체의 누출을 초래할 수 있는 격납 쉘(41)과 내부 회전자(7) 또는 외부 회전자(92)의 마찰들이 방지되며; 격납 쉘(41)의 바닥측의 중앙에 위치된 뒤쪽 축 시트(413)는 외부 회전자(92)의 내측으로 축방향으로 그리고 바깥쪽으로 연장하고, 합성 고정축(3a)의 타 단부를 지지하기 위해 사용된다. 축 보유 구멍(413a)의 외측에 설치된 뒤쪽 스러스트 링(414)은 축방향 스러스트 베어링을 형성하기 위해서 내부 회전자(7)의 세라믹 베어링(79)과 맞물기 위해 사용된다. 금속 칼라(417)는 뒤쪽 축 시트(413)의 축 보유 구멍(413a) 외측의 이층 구조 사이에 설치되고, 불소 중합체로 만들어진 격납 쉘 라이너(41a)의 고온에서의 변형을 줄이기 위해 사용되어서, 합성 고정축(3a) 및 뒤쪽 스러스트 링(414)을 위한 안정된 지지를 제공한다. 격납 쉘(41)은 합성 고정축(3a)을 위한 보조 강성 지지부를 제공한다.

내부 회전자(7)는 다중 내부 영구자석들(71), 내부 회전자 요크(72) 및 축방향으로 연장된 부분(76)을 포함하는 링 형상 구조이다. 다중 내부 영구자석들(71)은 내부 회전자 요크(72)의 외부 링 표면 상에 설치된다. 부식 방지 공업용 플라스틱으로 만들어진 회전자 수지 벽(74)은 누출을 방지하기 위해 내부 회전자(7)를 둘러싼다. 세라믹 베어링(79)은 내부 회전자(7)의 중심 구멍 내에 설치된다. 내부 회전자(7) 및 임펠러(5)가 일체로 통합되거나 일체로 함께 결합되도록, 내부 회전자(7)의 축방향으로 연장된 부분(76)은 중심 판(52)과 결합하기 위해 사용된다.

외부 회전자(92)는 다중 외부 영구자석들(93), 외부 회전자 요크(92b) 및 축 어댑터(92a)를 포함하는 고리형 컵 형상 구조이다. 축 어댑터(92a) 및 구동 모터 축(95)는 서로에게 고정된다. 다중 외부 영구자석들(93)은 외부 회전자 요크(92b)의 안쪽의 링 표면상에 설치된다. 격납 쉘(41)은 내부 영구자석들(71)을 가진 내부 회전자(7)와 외부 영구자석들(93)을 가진 외부 회전자(92) 사이에 설치되고, 외부 회전자(92)는 내부 회전자(7) 외측에 설치되고 내부 회전자(7)에 대응하게 위치되며, 외부 및 내부 자석들 모두는 반경방향으로 마주하게 배치되고 서로에 대해 자기로 끌어당긴다. 외부 회전자(92)가 회전할 때, 외부 영구자석들(93)은 내부 회전자(7)를 회전 구동하기 위해서 내부 영구자석들(71)을 끌어당긴다.

합성 고정축(3a)은 양측 지지 구조이다. 합성 고정축(3a)의 앞쪽 단부는 펌프 케이싱(4)의 앞쪽 지지부(43)에 의해서 지지되고, 합성 고정축(3a)의 뒤쪽 단부는 격납 쉘(41)의 뒤쪽 축 시트(413)에 의해서 지지된다. 합성 고정축(3a)의 중앙부는 회전을 위해 내부 회전자(7)의 세라믹 베어링(79)과 맞물린다. 내부 회전자(7)에 가해지는 결합력을 지탱하기 위해서, 중앙부의 길이는 세라믹 베어링(79)의 길이에 따르며, 내부 회전자(7)의 축방향의 자유 이동 공간이 한정된다. 금속 앞쪽 지지부(43)의 리브 판(431) 및 앞쪽 축 시트(433)는 합성 고정축(3a)을 위한 고 강도 지지를 제공해서, 온도가 올라갈 때 플라스틱의 강도가 줄어드는 문제가 해결된다.

합성 고정축(3a)은 세라믹 축 슬리브(33), 금속 축(32) 및 밀봉 너트(323)를 포함한다. 양 단부들에 나사 부분들을 가진 금속 축(32)은 세라믹 축 슬리브(33)의 슬리브 중심 구멍(332)을 관통한다. 금속 축(32)의 나사 부분의 일 단부는 앞쪽 지지부(43)의 앞쪽 축 시트(433)의 중심에 위치된 나사 구멍(433b)에 고정되고, 나사 부분의 타 단부는 세라믹 축 슬리브(33)의 뒤쪽 표면에 대해서 압착하기 위해서 구속 너트(321)를 이용한다(도 7 참조).

세라믹 축 슬리브(33)의 앞쪽 표면은 앞쪽 지지부(43)의 앞쪽 축 시트(433) 상에 위치된 구속 표면(435) 및 밀봉 표면(43c)에 대해서 견고하게 압착된다. 세라믹 축 슬리브(33)의 뒤쪽 표면은 합성 고정축(3a)의 지지 강도를 보장하기 위해서 구속 너트(321)에 의해서 견고하게 압착되고, 밀봉 표면(43c)에서 정상 압축비를 유지해서, 부식성 유체의 누출이 방지될 수 있다. 밀봉 너트(323)는 수지 벽(322)으로 덮인 컵 형상의 원통형 금속 요소이다(도 7도 함께 참조). 밀봉 너트(323)의 나사 구멍은 피복되지 않는다. 밀봉 너트(323)는 합성 고정축(3a)을 완전히 밀봉하기 위해서 금속 축(32)의 뒤쪽 단부 상에 견고하게 고정된다. 밀봉 너트(323)의 개구 면(opening surface)은 세라믹 축 슬리브(33)의 뒤쪽 표면에 대해서 견고하게 압착되고, 밀봉 및 부식 방지를 위해 사용되어서, 합성 고정축(3a)이 형성된다. 밀봉 너트(323)의 원통형 외경 표면은 격납 쉘(41)의 뒤쪽 축 시트(413)에 의해서 지지될 수 있다.

브래킷(91)은 양측 플랜지들을 가진 기둥 구조이다. 하나의 플랜지는 (도지되지 않은) 모터의 다른 플랜지와 고정하기 위해서 사용되고, 브래킷 앞쪽 플랜지(911)는 겹납 쉘(41)의 쉘 플랜지 부분(411)의 지지판(411a) 및 펌프 케이싱(4)의 뒤쪽 단부에 설치된 케이싱 뒤쪽 플랜지(42)에 연결되기 위해 사용되어서, 부식성 유체의 누출이 방지된다. 쉘 플랜지 부분(411)의 지지판(411a)은 강성 강도(stiffness strength) 및 고정을 보장하기 위해서 사용된다.

펌프가 작동할 때, 유체는 유선(6)을 따라서 펌프 유입구(44)로 들어가고, 유입구 유선(61)을 따라서 임펠러(5)의 유입구로 흐른다. 유체는 (임펠러 출구 유선(62)을 따라서) 임펠러(5)의 도관을 통과한 후에 가압되고, 배출구(45)를 통해 배출된다. 동시에, 복귀 유선(63)을 따르는 유체의 일부는 임펠러(5)의 뒤쪽 단부를 경유하여 격납 쉘(41)의 내부 공간(415)으로 들어가고, 내부 회전자(7)의 외측과 격납 쉘(41)의 내경 공간 사이의 틈을 경유하여, 즉, 윤활 유선(64)을 따라서 격납 쉘(41)의 바닥측으로 흐른다. 그 후에, 유체는 고정축(3)과 세라믹 베어링(79) 사이의 틈을 통해 그리고 중심 구멍(54)을 통해서, 즉, 단부 윤활 유선(65)을 따라서 흐르고, 임펠러(5)의 유입구로 다시 돌아온다. 그러한 유체의 순환 흐름은 세라믹 베어링(79)을 위한 윤활을 제공하기 위해서 그리고 윤활로 인해 발생된 열을 방산하기 위해서 사용된다.

도 2a 및 2b를 참조하면, 도 2a는 제 1 실시예에 따른 펌프 유입구의 정면도이고, 도 2b는 제 2 실시예에 따른 펌프 유입구의 정면도이다. 앞쪽 지지부(43)는펌프 케이싱(4)의 내측을 향하여 축방향으로 연장하는 두 개의 리브 판들(431)을 포함하고, 두 개의 리브 판들(431)이 서로에 대해 수직인 구조적 요소로 결합하며,원뿔형 몸체(432)는 두 개의 리브 판들(431)의 결합으로 형성되며, 원뿔형 몸체(432)의 중심은 펌프 유입구(44)의 내경의 중심에 일치한다. 앞쪽 축 시트(433)가 앞쪽 지지부(43)의 뒤쪽 단부 상에 위치된다. 리브 판들(431)은 원뿔형 몸체(432)의 축방향 길이를 따라서 축방향으로 연장하고, 리브 판들(431)의 폭은 앞쪽 축 시트(433)의 외경과 맞추어지기 위해 점진적으로 감소한다. 앞쪽 지지부(43)의 외측은 불소 중합체로 완전히 피복되고, 펌프 케이싱(4)의 케이싱 라이너(4a)와 일체로 통합된다. 두 개의 리브 판들(431)은, 중심 구멍(54)을 축방향으로 통과하고 펌프 케이싱(4)과 일체로 결합하는 캔틸레버 구조를 형성하기 위해서 함께 결합된다.

리브 판(431)과 원뿔형 몸체(432)뿐만 아니라 수지 벽(43a)의 두께의 횡단면 영역은 유입 도관의 횡단면 영역 중 차단 영역이다. 유입 도관의 남은 횡단면 영역은 흐름 영역이다. 차단 영역이 증가할 때, 그에 따라서 유효 흐름 영역은 감소한다. 유체의 유속은 흐름 영역에 역으로 그리고 선형으로 비례하고, 흐름 저항은 유속의 제곱(square)에 상당히 비례한다. 바꾸어 말하면, 저항력(resistance)은 유효 흐름 영역의 증가의 역수에 이차 비례(quadratic proportional)한다. 두 개의 아래 실시예들은 특히 증가되지 않는 펌프 유입구(44)의 내경을 설명한다. 도 2a는 제 1 실시예의 작은 내경(caliber) 및 저출력를 가진 사양을 나타내고, 차단 영역은 펌프 유입구(44)의 횡단면 영역의 대략 28% 이하이다. 예를 들어, 펌프 유입구(44)의 유입구 직경은 50mm이다. 도 2b는 제 2 실시예의 큰 내경 및 고출력을 가진 사양을 나타내고, 차단 영역은 펌프 유입구(44)의 횡단면 영역의 대략 15% 이하이다. 예를 들어, 펌프 유입구(44)의 유입구 직경은 100mm이다. 또한, 흐름 영역에 대한 차단 영역의 비율은 제조 방법들에 의존한다. 예를 들어, 모래 주조(sand casting)에 의해서 주철 또는 스테인리스로 만들어진 리브 판(431)의 두께는 대략 6mm이고, 수지 벽의 각 측면은 3mm보다 크거나 같아서, 리브 판의 전체 두께는 대략 12mm이다. 저출력 및 예를 들어 50mm인 펌프 유입구(44)의 작은 내경을 가지는 펌프에 비하면, 차단 영역은 상대적으로 더 크다. 주철로 만들어진 종래의 삼각형 앞쪽 지지부를 사용하고 펌프 유입구(44)의 직경이 50mm인 경우에, 수지 벽이 덮인 후에 흐름 영역에 대한 차단 영역의 비율은 40% 이상이고, 흐름 저항력을 줄이기에 적합하지 않다. 이것이 본 발명에서 직각 구조가 도입되는 이유이다.

제 1 실시예의 펌프 케이싱(4) 및 앞쪽 지지부(43)를 구체적으로 설명하는 도 3을 참조한다. 펌프 케이싱(4)은 펌프 유입구(44), 배출구(45) 및 와류실(47)을 포함한다. 펌프 케이싱(4)은 임펠러(5)를 수용하기 위해 사용된다(도 1a를 함께 참조). 케이싱 라이너(4a)는 펌프 케이싱(4)의 유체 접촉 측면에 설치되고, 부식성 유체를 격리하기 위해서 사용된다. 통합형 앞쪽 지지부(43)는 펌프 유입구(44) 내에 설치된다. 부식성 유체의 누출을 방지하기 위해서, 펌프 케이싱(4)의 뒤쪽 단부 상의 케이싱 뒤쪽 플랜지(42)는 브래킷(91) 및 격납 쉘(41)의 지지판(441a)을 함께 결합하기 위해서 사용된다(도 1a를 함께 참조). 앞쪽 지지부(43)는 앞쪽 축 시트(433)와 수직 구조 특성을 구비하고, 축 보유 구멍(433a)은 고정축(3)의 단부를 지지하기 위해 사용된다(도 1a를 함께 참조). 축 보유 구멍(433a)의 내부 표면은 고정축(3)을 설치하기 위해 서로에 대해 평행하고 마주하는 한 쌍의 절단 에지들을 구비한다.

제 1 실시예의 앞쪽 지지부(43), 임펠러(5) 및 펌프 케이싱(4)을 설명하는 도 4a를 참조한다. 임펠러(5)는 펌프 케이싱(4) 내에 조립된다(도 1a를 함께 참조). 앞쪽 지지부(43)는 중심 구멍(54)을 축방향으로 통과할 수 있다. 내부 회전자(7)는 불소 중합체로 만들어진 수지 벽(74)으로 둘러싸인다. 세라믹 베어링(79)은 내부 회전자(7)의 중앙 구멍 내에 설치된다. 중심 판(52)은, 임펠러(5)와 내부 회전자(7)가 일체로 통합되거나 일체로 함께 결합되도록, 내부 회전자(7)의 축방향으로 연장된 부분(76)에 연결되기 위해 사용된다.

도 1a를 함께 참조하면, 임펠러(5)는 펌프 케이싱(4)에 대해서 축방향으로 일정 거리 이동되어 있고, 펌프 배출구(45)의 중심선(451)의 내측에 위치된 임펠러(5)의 흐름 중심선(513)을 만들어서, 임펠러(5)의 유입구로 들어가기 전의 유선(6)의 유입구 흐름의 거리가 증가한다.

도 4a를 참조하면, 임펠러(5)는 원심형(centrifugal type) 구조이다. 덮개 표면(514)은 중심 판(52)을 향하여 작은 기울기 각을 가지면서 고정축(3)과 직교하고, 중심 판(52)은 덮개 표면(514)을 향하여 작은 기울기 각을 가지면서 고정축(3)과 직교하며, 고정축(3) 근처의 중심 판(52)의 기하학적 구조는 앞쪽 축 시트(433)의 굽은 표면과 들어맞는 오목한 구조이고, 임펠러(5)의 블레이드 앞 가장자리의 유입구 도관이 충분한 흐름 공간을 구비하게 한다; 그리고, 임펠러(5)의 유입구의 블레이드 앞 가장자리(511) 근처의 덮개 만곡 표면(514a)은 적당한 곡률 반경을 구비한다. 중심 오목 표면(515a)은 앞쪽 지지부(43)의 원뿔형 몸체(432)의 원뿔형 만곡 표면(432a)에 들어맞는 중심 표면(515)의 블레이드 앞 가장자리(511) 부근에 위치되도록 설계된다. 그러므로, 앞쪽 지지부(43)에 의해 발생된 임펠러(5)의 유입구의 흐름 간섭(flow interference)이 감소하도록, 유입구 유선(61)은 바람직한 곡률 반경을 구비한다.

펌프 유입구(44)로부터 유선(6) 및 유입구 유선(61)을 경유하여 임펠러(5)의 흐름 중심선(513)을 통해 흐르는 유체는 부드럽게 유지될 수 있다. 펌프 케이싱(4)의 펌프 유입구(44)의 내경 원통형 내부 표면(44a), 덮개 만곡 표면(514a) 및 덮개 표면(514)은 함께 매끄러운 표면을 형성한다. 원뿔형 몸체(432)의 앞쪽 단부의 직경은 리브 판(431)의 두께와 동일하다. 원뿔형 몸체(432)가 임펠러(5)의 유입구로 축방향으로 연장한 후에, 원뿔형 몸체(432)의 직경은 원뿔형 표면을 가진 앞쪽 축 시트(433)의 외경과 동일하게 되도록 증가하고, 원뿔형 몸체(432)의 원뿔형 만곡 표면(432a) 및 임펠러(5)의 중심 표면(515)의 중심 만곡 표면(151a)은 함께 매끄러운 만곡 표면을 형성한다.

그러므로, 유체가 유선(6)을 따라서 펌프 유입구(44)로 축방향으로 들어간 후에, 유체는 유입구 유선(61) 및 흐름 중심선(513)을 통해서 반경의 흐름 방향으로 향한다. 그러한 흐름 동안에, 펌프 유입구(44)의 내부 공간 내에서는, 리브 판들(431)의 두께만이 도관의 차단 영역이고, 내부 원통형 내부 표면(44a)의 내부 직경을 조절하는 것에 의해서 도관의 횡단면 영역의 매끄러운 변화를 얻는다. 또한, 도관의 큰 팽창 각은 필요하지 않으며, 유입구 유선(61)의 바람직한 곡률 반경도 획득된다. 흐름에 영향을 미치는 주 요인들은 리브 판들(431)의 두께 및 노즈(434)로부터 원뿔형 몸체(432)로 축방향으로 연장하는 도관의 직경의 변화이다. 바꾸어 말하면, 펌프 유입구(44)로 들어가는 유체가 유선(6) 및 (점선으로 나타낸) 리브 판(431)의 (점선으로 나타낸) 판 앞 가장자리(431a)를 통해 흐른 후에, 유체의 흐름 속도가 증가하고, 최소한의 간섭이 달성된다. 유선(6)의 흐름 거리가 더 길어지기 때문에, 유체가 (점선으로 나타낸) 리브 판들(431)을 통해 흐른 후에, 유체는 부드럽게 흐르도록 정류되고, 흐름 저항 역시 줄어든다. 유체가 (점선으로 나타낸) 리브 판(431)의 (점선으로 나타낸) 판 뒤쪽 가장자리(431b)로부터 나오고 임펠러(5)의 블레이드 앞 가장자리(511)로 들어갈 준비를 할 때, 임펠러(5)의 블레이드 앞 가장자리(511)와 (점선으로 나타낸) 리브 판(431)의 (점선으로 나타낸) 판 뒤쪽 가장자리(431b) 사이에 흐름 공간이 있을 뿐만 아니라 유입구 유선(61)이 바람직한 곡률 반경을 구비하기 때문에, 흐름 간섭이 상당히 줄어들고, 여기에 낮은 흐름 저항이 유지된다.

더 낮은 NPSHr 값은 더 나은 캐비테이션 방지 능력(anti-cavitation ability)을 나타낸다. 더 낮은 NPSHr의 주요 요소는 유체의 흐름 속도가 임펠러(5)의 유입구에서 더 낮은 것이고; 유체가 블레이드(51)의 블레이드 앞 가장자리(511)를 통해 흐를 때, 도관의 충분한 횡단면 영역을 구비하는 펌프는 유체가 낮은 흐름 속도로 흐르게 할 수 있다. 블레이드 앞 가장자리(511) 부근에서 도관의 충분한 횡단면 영역이 본 발명의 요점이다.

제 2 실시예의 임펠러(5) 및 내부 회전자(7)를 나타내는 도 4b를 참조한다. 도 4a에서 이미 유입구 도관 및 임펠러 도관을 상세하게 설명하였고, 이하, 도 4b로 본 실시예의 이점들을 설명한다. 실제로, 임펠러(5)의 외경은 제조 공정에 들어맞도록 펌프의 헤드 출력(head output)의 실제 요건에 따라서 절단될 필요가 있으며, 불소 중합체 임펠러(5)의 제조는 비싸고, 임펠러(5)의 사양들은 선택하기에 너무 적을 수 있다. 그러므로, 본 발명의 앞쪽 지지부(43)는, 임펠러(5)가 최대 외경(D2)보다 20% 더 크게 절단될 수 있다는 이점을 구비한다. 도 4b는 고출력 요건을 가진 펌프를 나타낸다. 임펠러(5)의 배출구의 외경(D2)에 대한 임펠러(5)의 유입구의 내경(D1)의 비율은 도 4a의 임펠러(5)의 비율보다 훨씬 더 크다. 임펠러(5)의 외경이 절단되면, 임펠러(5)의 블레이드(51)의 블레이드 뒤쪽 가장자리(512)의 외경(D2)이 줄어든다. 즉, 임펠러(5)가 절단된 후에, D1/D2의 비율은 증가하고, D1/D2의 비율이 더 커짐에 따라서, 펌프 효율은 더 낮아지며, 그 이유는 절단된 임펠러(5)의 작동 조건이 원래의 최적 설계가 아니기 때문이다. 반대로, 앞쪽 지지부(43)가 종래의 삼각형 앞쪽 지지부로 대체되고 펌프 유입구(44)의 내경이 증가하며 임펠러(5)의 유입구의 내경(D1) 또한 더 커질 때, 임펠러(5)의 유입구의 흐름 속도는 감소될 수 있고 흐름 저항이 감소되나, 임펠러(5)가 절단된 후에, D1/D2 비율은 빠르게 증가할 것이며, 임펠러(5)를 절단하는 것에 의한 가능한 작동 범위는 감소할 것이다.

도 5를 참조하면, 격납 쉘(41)은 불소 중합체로 만들어진 격납 쉘 라이너(41a) 및 보강 층(41b)을 포함하는 이층 쉘 구조이다. 격납 쉘(41)로부터 어떠한 누출도 없는 것을 보장하기 위해서, 어떠한 구멍도 없는 뒤쪽 축 시트(413)가 격납 쉘(41)의 바닥측에 위치된다. 격납 쉘(41)의 앞쪽 단부에 설치된 쉘 플랜지 부분(411)의 지지판(411a)은, 펌프 케이싱(4)의 케이싱 뒤쪽 플랜지(42)(도 3도 함께 참조) 및 브래킷(91)의 브래킷 앞쪽 플랜지(911)에 함께 연결되기 위해서, 그리고, 부식성 유체의 누출을 방지하도록 원통형의 컵 형상 캔틸레버 구조를 함께 형성하기 위해서 사용된다. 지지판(411a)은 강도를 보장하고 쉘 플랜지 부분(411)의 앞쪽 단부를 고정하기 위해서 사용된다.

격납 쉘(41)은 캔틸레버 구조이며, 고정축(3)이 반경방향 힘을 지탱할 때, 격납 쉘(41)은 쉘 플랜지 부분(411)에 의해서 완전히 지지된다. 격납 쉘(41)의 강도는 내부 공간(415)으로부터의 유체 압력을 견디는 섬유 보강 층(41b)으로부터의 지지에 전적으로 의존하며, 쉘 기둥 부분(412)은 압력 하에 최대 변형(maximum deformation)을 구비한다. 축 보유 구멍(413a) 주위에, 그리고 불소 중합체 격납 쉘 라이너(41a)와 격납 쉘(41)의 보강 층(41b) 사이에 설치된 금속 칼라(417)는 링 슬롯(413b) 내로 삽입된다. 그러므로, 고온에서의 격납 쉘(41)의 불소 중합체 격납 쉘 라이너(41a)의 변형이 감소하고, 고정축(3) 및 뒤쪽 스러스트 링(414)의 축방향 지지가 제공된다(도 1a를 함께 참조).

도 2a, 2b 및 6을 참조한다. 앞쪽 지지부(43)는 도시된 것과 같이 서로에 대해 수직으로 결합된 두 개의 리브 판들(431)에 의해 만들어진다. 종래의 대칭삼각형(symmetric triangle) 앞쪽 지지부는 더 나은 구조적 강도를 구비하나, 도관의 횡단면 영역이 본 발명의 요건을 충족할 수 없다. 본 발명에 개시된 수직 구조의 도관의 횡단면 영역은 도 4a에 나타낸 것과 같은 요건을 충족시킬 수 있고, 수직 구조의 강도는 설계 원리(design principle)를 만족시킬 수 있으며, 아래와 같이 설명된다.

앞쪽 축 시트(433)가 고정축(3)으로부터의 반경방향 힘(P) 및 모멘트를 지탱할 때, 힘 및 모멘트는 원뿔형 몸체(432)를 경유하여 리브 판들(431)로 그리고 펌프 케이싱(4)으로 전달된다. 앞쪽 축 시트(433) 상에 가해진 반경방향 힘(P)은 다른 값들을 가진 서로에 수직인 두 개의 요소들로 분할될 수 있다. 서로에 수직인 두 개의 리브 판들(431)은 임들의 두 개의 요소들을 동시에 지탱할 수 있을 뿐만 아니라 모멘트를 효과적으로 지탱할 수 있다. 리브 판들(431)의 구조적 강도는, 리브 판들(431)이 충분한 두께 및 폭(BL)을 구비하고 리브 판들(431)과 앞쪽 축 시트(433)가 원뿔형 만곡 표면(432a)의 길이와 동일한 충분한 결합 길이를 구비한다는 것에서 마련된다. 또한, 펌프 케이싱(4)의 펌프 유입구(44)의 내측으로부터 축방향으로 연장하는 리브 판들(431)은 충분한 리브 판 축방향 폭(RL)을 구비한다. 즉, 원뿔형 만곡 표면(432a)은 유체가 부드럽게 흐르도록 할 수 있을 뿐만 아니라,힘들 및 모멘트들을 지탱하고 옮긴다. 따라서, 본 발명의 앞쪽 지지부(43)는 흐름 저항을 줄일 수 있고, 필요한 지지 강성을 얻을 수 있다.

도 6을 참조한다. 리브 판들(431)은 펌프 유입구(44)의 내부 표면으로부터 펌프 케이싱(4)의 펌프 유입구(44)의 내경의 중심을 향하여 축방향으로 우선 연장하고, 내경의 중심에서 함께 결합한다. 두 개의 리브 판들(431)의 결합 위치의 원뿔형 몸체(432)는 펌프 유입구(44)의 내측으로부터 축방향으로 연장하고, 원뿔형 몸체(432)의 중심은 펌프 유입구(44)의 중심과 일치한다. 앞쪽 축 시트(433)는 고정축(3)의 일 단부를 지지하기 위해 사용된다. 훌륭한 내구성이 있는 압착 능력으로 인해, 불소 중합체는 피로 파괴 없이 큰 규모의 압착을 지탱할 수 있다. 고정축(3)이 앞쪽 축 시트(433)에 설치될 때, 충분한 압축비 및 적절한 보유 길이(L)는 반경방향 힘(P) 및 모멘트를 지탱한다. 수지 벽(43a)의 변형이 고정축(3)의 초기 변형(primary deformation) 및 이동을 야기하기 때문에, 충분한 압착 및 보유 길이(L)는 힘을 앞쪽 지지부(43)로 쉽게 이동할 수 있게 한다. 보유 길이(L)는 고정축(3)의 직경의 적어도 50%이다.

도 6을 참조한다. 고정축(3) 및 고정축(3)의 지지 구조는 내부 회전자 무게(W), 편심 원심력(X), 반경방향 힘(P) 및 그것들의 모멘트들을 포함하는 많은 하중력들(multiple load forces)을 지탱해야 한다. 내부 회전자 무게(W)는 회전자의 무게에 의해서 발생된 힘이다. 편심 원심력(X)은 세라믹 베어링(79)의 틈에 기인한다. 반경방향 힘(P)은 펌프 케이싱(4) 내의 와류실(47)의 불균일한 유체 압력에 기인하여 임펠러(5)에 가하는 힘이다. 편심 원심력(X) 및 반경방향 힘(P)의 방향들은 반경방향의 작동 상태들에 따라서 바뀐다.

도 6을 참조하면, 많은 힘들이 고정축(3)에 가해질 때, 모멘트 팔들(moment arms)에 의해서 모멘트들이 발생된다. 앞쪽 축 시트(433)의 초기 변형을 예로 든다. 모멘트 팔의 기준위치는 앞쪽 축 시트(433)에 위치된 기준선(B)에 해당한다. 무게의 모멘트는 무게 팔 길이(WL)에 내부 회전자 무게(W)를 곱한 것과 동일하다. 편심 원심력의 모멘트는 편심 원심력(X)과 편심 길이(XL)를 곱한 것과 동일하다. 반경방향 힘의 모멘트는 반경방향 힘(P)과 반경방향 힘 팔 길이(PL)를 곱한 것과 동일하다. 상기 언급된 힘들 및 모멘트들의 합은 앞쪽 축 시트(433)에 가하는 조인트 힘(joint force) 및 조인트 모멘트(joint moment)가 된다. 큰 틈이 되는 세라믹 베어링(79)의 마모로부터 발생되는 편심 원심력(X)은 고정축(3)의 주요한 변형 하중원(variation loading source)이 된다. 더 마모될수록, 편심 원심력(X)은 더 커진다. 가장 긴 모멘트 팔은 세라믹 베어링(79)의 중앙에서 앞쪽 축 시트(433)의 중앙까지의 편심 길이(XL)이다. 가장 짧은 모멘트 팔은 반경방향 힘 팔 길이(PL)이다. 반경방향 힘(P)은 내부 회전자(7)의 축선과 고정축(3)의 축선 사이에 기울기를 야기하고, 지지 구조의 예속적인 변형으로 이어지며, 변형은 앞쪽 지지부(43) 상에서 발생한다.

리브 판(431)의 중앙에 위치하는 중심 기준점으로서 기준선(A)을 대상으로 하면, 앞쪽 축 시트(433)의 조인트 힘은 내부 회전자 무게(W), 편심 원심력(X) 및 반경방향 힘(P) 모두에 의해서 가해지고, 그것의 모멘트들은 앞쪽 지지부(43)에 의해서 지탱된다. 모멘트의 값은 앞쪽 축 시트(433)의 조인트 힘을 팔 길이(AB)에 곱한 것과 동일하다.

도 6을 참조한다. 온도가 상승할 때, 방식 재료로 만들어진 격납 쉘(41)의 강도는 떨어지고(도 1a를 함께 참조), 압력의 상승에 기인한 변형도 발생한다. 격납 쉘(41)의 뒤쪽 축 시트(413)의 중심 기준점으로서 기준선(C)을 대상으로 하면, 뒤쪽 축 시트(413)에는 조인트 힘의 더 작은 부분이 가해지고, 조인트 힘은 주로 앞쪽 축 시트(433) 상에 가해진다. 기준선(B)에서 기준선(C)까지의 거리인 팔 길이(BC)에 가해진 힘을 곱한 것은 뒤쪽 축 시트(413)에서의 적용 모멘트의 값이다. 팔 길이(BC)가 팔 길이(AB)보다 더 길어서(즉, 뒤쪽 축 시트(413)은 보다 적은 모멘트와 힘을 지탱해서), 대부분의 힘들과 모멘트들은 고정축(3)을 경유하여 앞쪽 지지부(43)에 의해서 지탱된다.

제 2 실시예에 따른 힘 및 모멘트를 지탱하는 합성 격납 쉘(41)의 횡단면도인 도 7을 참조한다. 합성 고정축(3a)의 앞쪽 단부는 펌프 케이싱(4)의 앞쪽 지지부(43)에 의해 지지되고, 합성 고정축(3a)의 뒤쪽 단부는 격납 쉘(41)의 뒤쪽 축 시트(413)에 의해서 지지된다(도 1b를 함께 참조). 합성 고정축(3a)은 세라믹 축 슬리브(33), 금속 축(32) 및 밀봉 너트(323)를 포함한다. 금속 축(32)은 세라믹 축 슬리브(33)의 슬리브 중심 구멍(332)을 통과한다. 금속 축(32)의 나사 부분의 일 단부는 앞쪽 지지부(43)의 앞쪽 축 시트(433)의 중심에 위치된 나사 구멍(433b)에 고정된다. 나사 부분의 타 단부는 세라믹 축 슬리브(33)의 뒤쪽 표면에 대해서 압착하기 위하여 구속 너트(321)를 이용한다. 그러므로, 높은 강성을 가진 합성 고정축(3a)이 형성된다. 밀봉 너트(323)는 합성 고정 축(3a)을 완전히 밀봉하기 위하여 금속 축(32)의 뒤쪽 단부 상에 견고하게 고정된다. 밀봉 너트(323)의 원통형 외경은 격납 쉘(41)의 뒤쪽 축 시트(413)에 의해서 지지된다.

합성 고정 축(3a)의 중앙부는 따라서 회전하기 위해 내부 회전자(7)의 세라믹 베어링(79)과 맞물린다. 중앙부의 길이는 내부 회전자(7)로부터 연합된 힘(combined force)을 지탱하기 위하여 세라믹 베어링(79)의 길이에 따른다.

온도가 올라갈 때 플라스틱 재료의 강도가 줄어드는 문제를 극복하기 위하여, 금속 앞쪽 지지부(43)의 리브 판들(431) 및 앞쪽 축 시트(433)는 합성 고정축(3a)을 위한 고강성 지지를 제공한다.

도 7을 참조한다. 반경방향 힘들(P) 및 모멘트들이 합성 고정축(3a)에 작용하면, 앞쪽 지지부(43)에도 반경방향 힘들(P) 및 모멘트들이 가해지며, 앞쪽 지지부(43)의 변형 및 이동을 발생시킨다.

도 7을 참조한다. 따라서, 합성 고정축(3a)이 내부 회전자(7)의 회전을 지지하도록, 합성 고정축(3a)의 중앙부는 내부 회전자(7)의 세라믹 베어링(79)과 맞물린다. 중앙부의 길이는 세라믹 베어링(79)의 길이에 따른다. 합성 고정축(3a) 및 그것의 지지 구조는 내부 회전자 무게(W), 편심 원심력(X), 반경방향 힘(P) 및 그것들의 모멘트들을 포함하는 많은 힘들을 지탱하는 것을 필요로 한다. 내부 회전자 무게(W)는 회전자의 무게에 의해 발생된 힘이다. 편심 원심력(X)은 세라믹 베어링(79)의 틈에 기인한 회전자 중심의 편심 원심력이다. 반경방향 힘(P)은 펌프 케이싱(4)의 와류실(47)의 불균일한 유체 압력에 기인하여 임펠러(5)에 가해지는 힘이다.

도 7을 참조한다. 많은 힘들이 합성 고정축(3a)에 가해지고, 모멘트 팔들에 의해 모멘트들 역시 발생된다. 모멘트 팔의 기준위치는 앞쪽 지지부(43)의 기준선(A)에 해당한다.

무게의 모멘트는 내부 회전자 무게(W)와 무게 팔 길이(WL)를 곱한 것과 동일하다. 편심 원심력의 모멘트는 편심 원심력(X)과 편심 길이(XL)를 곱한 것과 동일하다. 반경방향 힘의 모멘트는 반경방향 힘(P)과 반경방향 힘 팔 길이(PL)를 곱한 것과 동일하다. 상기 언급된 힘들 및 모멘트들의 합은 앞쪽 지지부(43)에 가해지는 조인트 힘 및 조인트 모멘트가 된다. 더 큰 틈이 될 세라믹 베어링(79)의 마모로부터 발생되는 편심 원심력(X)은 합성 고정축(3a)의 주요한 변형 하중원이 된다. 마모가 심해질수록, 편심 원심력(X)은 더 커진다. 가장 긴 모멘트 팔은 세라믹 베어링(79)의 중앙에서 앞쪽 지지부(43)의 중앙까지의 편심 길이(XL)이다. 가장 짧은 모멘트 팔은 반경방향 힘 팔 길이(PL)이다. 반경방향 힘(P)은 내부 회전자(7)의 축선과 합성 고정축(3a)의 축선 사이에 기울기를 야기해서, 앞쪽 지지부(43)의 연속적인 변형으로 이어진다.

온도가 올라갈 때, 부식 방지 재료로 만들어진 격납 쉘(41)의 강도는 줄어들고(도 1a를 함께 참조), 변형은 압력의 상승에도 기인하여 발생한다. 격납 쉘(41)의 뒤쪽 축 시트(413)의 중심 기준점으로서 기준선(C)에 해당하는 경우, 뒤쪽 축 시트(413)에는 조인트 힘의 매우 작은 부분이 가해지고, 조인트 힘은 주로 앞쪽 지지부(43) 상에 가해진다. 격납 쉘(41)은 오직 펌핑 액체의 내부 압력에 저항하도록 설계된다.

본 발명의 기본적인 실시예들의 상기 설명은 오직 예시 및 설명의 목적들을 위한 것이고, 개시되어 있는 간결한 형태들로 본 발명을 제외하거나 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 상기 교시의 관점에서 많은 수정 및 변형들이 가능하다.

본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들이 본 발명 및 다양한 실시예들을 활용하도록, 본 발명의 원리들 및 실제 적용들을 설명하기 위해서, 실시예들이 선택되고 설명되었으며, 특정한 사용에 적합한 다양한 변형들이 고려된다. 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않는 대안적인 실시예들이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 상세한 설명 및 그 안에 설명된 예시적인 실시예들보다 첨부된 청구항들에 의해서 정의된다.

Claims

앞쪽 지지부, 유입구, 와류실, 배출구, 케이싱 뒤쪽 플랜지, 및 케이싱 라이너를 포함하는 주철 또는 스테인리스강으로 만들어진 펌프 케이싱을 구비하는 자기 구동 펌프로서,
펌프 케이싱은 임펠러를 수용하기 위해 사용되고, 유입구는 축동력을 수압력으로 전환하기 위해 임펠러 블레이드들을 가진 임펠러의 유입구에 연결되기 위해서 사용되며, 가압된 유체는 와류실로 들어가고 배출구를 통하여 나가며,
케이싱 라이너는 부식성 유체를 격리하기 위하여 펌프 케이싱 내측의 유체 접촉 측면 상에 설치되고,
케이싱 뒤쪽 플랜지는 브래킷 및 격납 쉘을 조립하기 위해 펌프 케이싱의 뒤쪽 단부에 위치되며,
앞쪽 지지부는 서로 일체로 통합되도록 유입구의 내부 공간 내에 형성되고, 앞쪽 지지부는 임펠러를 구동하기 위해서 내부 회전자와 맞물리는 고정축을 조립하기 위해 캔틸레버 구조가 되도록 축방향으로 연장하며,
앞쪽 지지부는 두 개의 리브 판들, 원뿔형 몸체 및 앞쪽 축 시트를 포함하고, 앞쪽 지지부는 펌프 케이싱의 내측을 향하여 축방향으로 연장하며,
리브 판들은 펌프 케이싱의 유입구의 내부 표면으로부터 안쪽으로 연장하고, 두 개의 리브들이 서로에 대해 수직인 직각 구조로 결합하면서 내경의 중심에서 함께 결합하며,
원뿔형 몸체는 두 개의 리브 판들의 결합으로 형성되고, 원뿔형 몸체의 중심은 펌프 케이싱의 유입구의 내경의 중심과 일치하며, 원뿔형 몸체는 펌프 케이싱의 뒤쪽 측면을 향해 안쪽으로 연장하고,
앞쪽 축 시트는 앞쪽 지지부의 뒤쪽 단부에 위치되고, 리브 판들은 원뿔형 몸체의 축방향 길이를 따라서 축방향으로 연장하며, 리브 판들의 폭은 앞쪽 축 시트의 외경과 들어맞도록 점진적으로 감소하고, 앞쪽 축 시트는 임펠러의 중심 구멍을 통과하며,
고정축은 앞쪽 축 시트의 축 보유 구멍 상에 조립되고, 축 보유 구멍은 고정축의 강성을 향상시키기 위해서 보유 길이를 제공하며, 고정축에 가해진 힘들 및 모멘트들은 앞쪽 지지부를 경유하여 펌프 케이싱으로 이동될 수 있고,
앞쪽 지지부의 외부 표면은 부식 방지 플라스틱으로 완전히 둘러싸이고, 펌프 케이싱의 케이싱 라이너와 일체로 통합되는 자기 구동 펌프.
제1항에 있어서,
보유 길이는 고정축의 직경의 적어도 50%인 자기 구동 펌프.
제1항에 있어서,
부식 방지 플라스틱은 테트라플루오로에틸렌(Tetrafluoroethylene)과 퍼플루오로알콕시에틸렌(Perfluoroalkoxyethylene, PFA)뿐만 아니라 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(Ethylene Tetrafluoroethylene, ETFE)의 공중합체와 같은 불소 중합체인 자기 구동 펌프.
제1항에 있어서,
원뿔형 몸체의 원뿔형 만곡 표면은 임펠러의 중심 오목 표면과 함께 매끄러운 만곡 표면을 형성하는 자기 구동 펌프.
앞쪽 지지부, 유입구, 와류실, 배출구, 케이싱 뒤쪽 플랜지, 케이싱 라이너, 및 합성 고정축을 포함하는 주철 또는 스테인리스강으로 만들어진 펌프 케이싱을 구비하는 자기 구동 펌프로서,
펌프 케이싱은 임펠러를 수용하기 위해 사용되고, 유입구는 축동력을 수압력으로 전환하기 위해 임펠러 블레이드들을 가진 임펠러의 유입구에 연결되기 위해서 사용되며, 가압된 유체는 와류실로 들어가고 배출구를 통해 나가며,
케이싱 라이너는 부식성 유체를 격리하기 위하여 펌프 케이싱 내측의 유체 접촉 측면 상에 설치되고,
케이싱 뒤쪽 플랜지는 브래킷 및 격납 쉘을 조립하기 위해 펌프 케이싱의 뒤쪽 단부에 위치되며,
앞쪽 지지부는 서로 일체로 통합되도록 유입구의 내부 공간 내에 형성되고, 앞쪽 지지부는 임펠러를 구동하기 위해서 내부 회전자와 맞물리는 합성 고정축을 조립하기 위해 캔틸레버 구조가 되도록 축방향으로 연장하며,
앞쪽 지지부는 두 개의 리브 판들, 원뿔형 몸체 및 앞쪽 축 시트를 포함하고, 앞쪽 지지부는 펌프 케이싱의 내측을 향하여 축방향으로 연장하며, 리브 판들은 펌프 케이싱의 유입구의 내부 표면으로부터 안쪽으로 연장하고 두 개의 리브들이 서로에 대해 수직인 직각 구조로 결합하면서 내경의 중심에서 함께 결합하며, 원뿔형 몸체는 두 개의 리브 판들의 결합으로 형성되고, 원뿔형 몸체의 중심은 펌프 케이싱의 유입구의 내경의 중심과 일치하며, 원뿔형 몸체는 펌프 케이싱의 뒤쪽 측면을 향해 안쪽으로 연장하고, 앞쪽 축 시트는 앞쪽 지지부의 뒤쪽 단부에 위치되고, 리브 판들은 원뿔형 몸체의 축방향 길이를 따라서 축방향으로 연장하며, 리브 판들의 폭은 앞쪽 축 시트의 외경과 들어맞도록 점진적으로 감소하고,
앞쪽 축 시트는 임펠러의 중심 구멍을 통과하며, 앞쪽 지지부의 외부 표면은 부식 방지 플라스틱으로 완전히 둘러싸이고 펌프 케이싱의 케이싱 라이너와 일체로 통합되며,
나사 구멍을 가지는 앞쪽 축 시트의 축 보유부는 내측이 피복되지 않고, 나사 구멍은 합성 고정축의 금속 축의 일 단부에 있는 나사 부분을 견고하게 고정하기 위해서 사용되며, 앞쪽 축 시트의 표면은 구속 표면 및 밀봉 표면인 두 개의 링 형상 표면들로 분할되고, 구속 표면은 합성 고정축의 지지 강성을 보장하기 위해 세라믹 축 슬리브의 표면에 대해 견고하게 압착되고 부착되어, 밀봉 표면에서 수지 벽의 정상 압축비를 유지하며,
합성 고정축은 양측 지지 구조이고, 합성 고정 축의 앞쪽 단부는 펌프 케이싱의 앞쪽 지지부에 의해서 지지되고, 합성 고정축의 뒤쪽 단부는 격납 쉘의 뒤쪽 축 시트에 의해서 지지되며, 합성 고정축은 세라믹 축 슬리브, 금속 축 및 밀봉 너트를 포함하고,
양 단부들에 나사 부분들을 가지는 금속 축은 세라믹 축 슬리브의 슬리브 중심 구멍을 통과하고, 금속 축의 나사 부분의 일 단부는 앞쪽 지지부의 앞쪽 축 시트의 중심에 위치된 나사 구멍에 고정되고, 나사 부분의 타 단부는 세라믹 축 슬리브의 뒤쪽 표면에 대해 압착하기 위해서 구속 너트를 이용해서, 세라믹 축 슬리브의 앞쪽 단부 표면은 고 강성을 가진 합성 고정축을 형성하기 위하여 앞쪽 지지부의 앞쪽 축 시트의 구속 표면 및 밀봉 표면에 대해서 견고하게 압착되며,
세라믹 슬리브는 구속 표면에 대해서 견고하게 압착된 앞쪽 표면과, 밀봉 표면에서 수지 벽의 정상 압축비를 유지하기 위해 앞쪽 지지부의 앞쪽 축 시트에 대해서 견고하게 압착되는 밀봉 표면을 구비하고, 세라믹 축 슬리브의 뒤쪽 표면은 합성 고정축의 지지 강성을 보장하기 위해서 구속 너트에 의해서 견고하게 압착되며,
밀봉 너트는 수지 벽으로 덮인 컵 형상 원통형 금속 요소이고, 밀봉 너트는 합성 고정축을 완전히 밀봉하기 위해서 금속 축의 뒤쪽 단부 상에 견고하게 고정되며, 밀봉 너트의 개구 면은 세라믹 축 슬리브의 뒤쪽 표면에 대해서 견고하게 압착되는 자기 구동 펌프.
제5항에 있어서,
부식 방지 플라스틱은 테트라플루오로에틸렌(Tetrafluoroethylene)과 퍼플루오르알콕시에틸렌(Perfluoroalkoxyethylene, PFA)뿐만 아니라 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(Ethylene Tetrafluoroethylene, ETFE)의 공중합체와 같은 불소 중합체인 자기 구동 펌프.
제5항에 있어서,
원뿔형 몸체의 원뿔형 만곡 표면은 임펠러의 중심 오목 표면과 함께 매끄러운 만곡 표면을 형성하는 자기 구동 펌프.
제5항에 있어서,
앞쪽 축 시트의 구속 표면은 피복되지 않으며, 앞쪽 축 시트의 밀봉 표면은 부식 방지 플라스틱으로 둘러싸이는 자기 구동 펌프.
펌프 케이싱의 유입구, 앞쪽 지지부, 임펠러 및 펌프 케이싱의 와류실을 포함하는 낮은 흐름 저항 구조를 가진 자기 구동 펌프로서,
펌프 케이싱의 유입구와 임펠러의 유입구 사이에 더 긴 흐름 거리를 얻기 위해서, 임펠러는 펌프 케이싱에 대해서 축방향으로 일정한 거리 이동되어 있고, 임펠러의 배출구의 흐름 중심선을 펌프 배출구의 와류실의 중심선의 내측에 위치되게 하며,
임펠러의 유입구의 블레이드 앞 가장자리 근처의 덮개 만곡 표면의 기하학적 구조는 적당한 곡률 반경을 구비하고, 고정축 근처의 그리고 블레이드 앞 가장자리 부근의 중심 판은 앞쪽 축 시트의 원뿔형 몸체의 만곡 표면과 들어맞는 오목한 형태이며,
펌프 케이싱의 펌프 유입구의 내경 원통형 내부 표면, 덮개 만곡 표면 및 덮개 표면은 임펠러의 매끄러운 표면을 형성하고, 원뿔형 몸체는 원뿔형 표면을 가진 임펠러의 유입구로 축방향으로 연장하며, 원뿔형 만곡 표면과 임펠러의 중심 표면의 중심 오목 표면 또한 매끄러운 만곡 표면을 형성하고,
펌프 유입구의 내부 공간은 횡단면 영역의 매끄러운 변형을 구비하고, 유체는 펌프 유입구로 들어가고 리브 판의 판 앞 가장자리를 지나가며, 유체의 흐름 속도는 증가하고, 보다 긴 흐름 거리에 의해 최소 간섭이 달성되고, 흐름은 리브 판들에 의해서 정류되는 자기 구동 펌프.