JP2004346925A - 非接触ポンプの回転部分の非接触を確実にする装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触ポンプではその構造上、軸受、シール等がなく回転部分がフリーであるのでこれを周壁と非接触にするための従来の構造装置は不十分であったので構造を変へ、新たな装置を加えて完全なものにする事。
【解決手段】インペラー吐出口（上側）と反対側（下側）の圧力の差によるインペラー２の過浮上が、インペラー及びローターが周壁と接触する原因の１つであるのでインペラーケーシング１を二重壁にし、インペラーよりの吐出孔を上下２ケ設けてインペラー上下にかかる圧力を平衡させる事により過浮上を防いだ。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
非接触のポンプの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の対象とするポンプは例へば図１に示す如き横置型側方吸込上方吐出式のポンプでインペラーの駆動方式はインペラーをモーターの駆動軸で直接駆動するのではなく間接的に駆動する方式のポンプである。
図１に於いてインペラー（２）にローター（３）をローター連結軸（４）で取付けてある。ローター（３）は有底、片側開放の非磁性導電性の金属円筒で表面は樹脂等でコーティングしてある。ローターは非磁性、電気絶縁体で作られた二重円筒のキャン（５）の隙間内で自由に回転しうる。キャンはケーシング（１）に連結されている。キャンの内外に偶数で対応面が互いに異極の磁石（６）、（７）をモーター（８）で同時に回転させるとキャン内には回転磁界が発生しローター（３）はこの誘導により回転力及び磁石に対して反発力が発生しキャンの隙間の中央で回転しようとする。ローター（３）はインペラー（２）とローター連結軸（４）で連結されているのでこれにてインペラーは回転しポンプとしての機能がある。矢印は液の流れを示す。この時液中にはインペラーとローターしかなくその他はすべて液外にあり亦シール及び軸受もない。
このような構成にするとインペラー及びローターの回転部分を周壁と非接触になしうる。即ち非接触ポンプとなしうる。図２は図１のＸ１−Ｙ１断面図である。然しながら運転中、回転部分（ローター及びインペラー）を確実に周壁と非接触にする事は困難であった。又空運転した場合ローターとキャンが全面的に摺動する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
インペラー及びローターを含む回転部分がフリーであることは回転部分が正常な位置から外れ、上下左右に動き亦傾く可能性があることである。これ等をなくし正常位置で回転させることが非接触の基本条件である。
前記
【０００２】の不具合を解決する為の課題は
具体的には、
ｉ）運転中に於けるインペラー側壁との接触をなくすこと。
ｉｉ）運転中に於けるローターとキャンの接触をなくすことにある。
【０００４】
【課題を解決する為の手段】
運転中の不具合は回転部分が均衡のとれた姿勢で回転していない事にある。
ローターとキャンの隙間は内外磁石の磁路を短くしてローターの回転力を大きく保つ為には極力狭くする必要があるのでローターの僅かの傾きでもキャンと接触する恐れがある。
図１に示すよう吐出口が上方にある場合吐出口の液圧は低くなりインペラー（２）はフリーであるので上方に浮上する力を受ける。即ちインペラーが正規の位置より上方に移動するとローターも上方によりキャン（５）とＱ１、Ｑ２及びその対称側で接触する、そうするとインペラーも傾きケーシング（１）とＱ３、Ｑ４で接触し、インペラー、ローター共傾いて回転を続けている。この状態を図３に示す。これに対してはインペラーを正常な位置で正常な状態で回転するようにすればよい。その対策として図４に示す如くインペラーケーシング（１）を内壁（１−２）を付けた二重壁とし内外壁間の約半分（１−３）を閉鎖し内壁に吐出孔（１−４）と（１−５）を対称の位置にあけておく、吐出孔（１−４）と（１−５）から吐出された液は吐出口（１−１）で合流する。孔（１−４）と（１−５）を略同じ大きさにしておけば孔（１−４）の圧力Ｐ_１と孔（１−５）の圧力Ｐ_２は略同じ圧力になりインペラーが上方に押上られることはなく正常な位置で回転する。従ってローター（３）がキャン（５）と接触する事も、インペラーがケーシングと接触する事もない。即ち図３の如き状態はおこらない。然しながら回転磁界より受けるローターの反発力（即ち浮上力）が不足するとローターが下がりすぎてキャンと接触する恐れがある。
これについて次記の磁気装置により対応する。図中Ｕは上側Ｄは下側を示す。
【０００５】
磁石装置の説明の前に磁石の組み合わせによる現象について説明する。
図５は２ケの磁石の同極面を対応させた時の反発力の説明図である。
磁石（１０）と（１１）を対応させ、磁石（１０）を（１１）に近づけると各磁石の磁力線（１２）（１３）は１点（Ｐ_０１）で相対するようになり、Ｐ_０１にて相互の反発力が集中し押し付け力ｆ_０が中心線上にない（即ち少しでもずれ）と（１０）はどの方向（Ｅ_１又はＥ_２）に逃げるか不定である。即ちｆ_０が強力でも安定させる事は不可能に近い。
このように１点のみに反発力を集中させると極めて不安定になりこの状態を保つ事は極めて困難である。次に円筒形磁石の場合について図６、図７、図８によって説明する。図６は同形の円筒形磁石（１４）（１５）の（１４）の中に（１５）をいれ、２つの中心線¢_１、¢_２が一致するようにした場合である。
この場合反発点Ｐ_０２はつながって１つの円（Ｒ_１・Ｐ_０２）をなす、この場合も（１５）はＥ３〜Ｅ６どの方向に飛び出すかは全く不定である。
図７は図６のＸ２−Ｙ２断面図である。
次に図８は図６の磁石（１４）（１５）の中心線¢_１、¢_２をδ_１だけずらした図で反発の連続はＲ_２・Ｐ_０３となり（１５）はＥ７〜Ｅ８の方向に飛び出すがその方向は不安定である。図７の磁石筒を分割し回転軸（２５）に取り付けた図が図９、図１０で、図１１は図９のＸ３〜Ｙ３断面図である。このような配置にすると磁石筒（２０）及び軸（２５）は上方への力を受ける。この時各場所の反発点をつなぐ線は夫々別個の円弧Ｒ_３・Ｐ_０４、Ｒ_４・Ｐ_０５、Ｒ_５・Ｐ_０６、Ｒ_６・Ｐ_０７となり、各円弧間は切れているので図７よりは、はるかに安定する。内磁石筒（２０）に対して分割外磁石筒を図９の如くδ_２だけずらせば内磁石筒はＥ９の方向へ、図１０では反対のＥ１０の方向に動く。このとき外磁石筒を連続した一体にすると図６、図８の如き挙動をなし、不安定になる。この外磁石筒は軸（２５）を支えるのが主目的であるが左右いずれかに動くのでその方向を予め決めておくと対応し易いのでこのようにしておく。図９の磁石装置をＭＳ１−１、図１０をＭＳ１−２とする。
【０００６】
次に一方が回転、他方が固定の２つの充実円筒（３０）（３３）の相対応する端面を安定して対応させる反発用磁石の取り付けについて説明する。これを図１２、図１３に示す。図１３は図１１のＸ４〜Ｙ４矢視図である。図１２に於いて回転側（３０）、固定側（３４）とも対応面はいずれも円形とし、相互の中心線¢_３、¢_４は一致しているものとする。回転側（３０）に棒状円筒磁石（３１）をその中心点が半径ｒ_１の円になるように複数個配列、中央に１ヶの磁石（３２）を配置し埋め込む。固定側（３３）にも棒状円筒磁石（３４）を、その中心点が半径ｒ_２の円になるよう複数個配列、中心に１ヶの磁石（３５）を配置し埋め込む。
この時図においてｒ_１＜ｒ_２、ｇ_３＜ｇ_４である。
（３１）の径は（３４）の径より小さくし（３１）と（３４）の対応面は適当な反発力が発生する距離（ｇ_３）とする。（３１）と（３４）の対応面は同極、（３２）と（３５）の対応面は異極とする。（３０）の磁石装置をＭＳ２−１に（３３）の磁石装置をＭＳ２−２とする。（３０）を回転させながら（３３）に近づけて行くと両者間のギャップ（ｇ_３）が小さくなるに従って（３０）は外側に逃げようとする。その時（３１）と（３５）は吸引して（３１）が外側に逃げるのを抑制する。亦（３４）は（３１）より外側にあるのでこれを抑制する。（３２）と（３５）は互いに吸引して中心線の一致を保とうとする等の力が働き（ｇ_４）が適当な間隔の時（３０）は略安定して回転する。即ち（３０）と（３３）は非接触の状態を保ちうる。この時¢_３、¢_４は多少ずれてはいるがそのずれは運転上差し支えない程度に押さえうる。
次にこれらの磁石装置（ＭＳ１−１）（ＭＳ１−２）の取付法について図１４、図１５にて説明する。
回転部分の重量支持装置をＭＳ１−１にした時はキャン側にＭＳ２をＭＳ１−２にした時はローター軸の延長軸（４−２）側にＭＳ２を取り付けて左右方向の軸の動きを抑制する。
以上よりして反発用磁石の配置条件は、
ｉ）相互の磁石の反発点が唯１点のみに集中しないようにする。
ｉｉ）反発点が連続した１つの線にならないようにすること。即ち分断された状態にすることにある。
【０００７】
インペラーが左右へ動くとインペラーとケーシングが接触する恐れがある。
インペラーがクローズド形で両側に側板（２−１）（２−２）がある場合この側板に対応させてインペラーケーシングに斜面（１−６−１）をもつ複数個の板（１−６）（以下楔板と記す）を取り付ける。インペラーよりの吐出流はインペラーとケーシング間の隙間より吸込口にもどる還流があるのでこの還流が楔板（１−６）とインペラー側板の間に入り楔効果を発生し、インペラーが接触するのを防ぐ。亦還流量を減少させインペラーの効率低下も防ぐ。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実験は既製の非接触ポンプ（図１）を図１４の如くに改造して行った。
改造部分はインペラー、インペラーケーシング、キャンでインペラーケーシングは二重壁とした。
新たに磁石装置（ＭＳ１−１）（ＭＳ２）を追加した。使用磁石はネオジとし、接液部分は樹脂で被覆した。モーター（８）は０．７５ｋＷ、２Ｐ。回転磁界発生装置（６）（７）は流用した。回転部分をすべて赤色塗装し、接触による塗装の剥離検査をした。尚流量、揚程、効率等は変わらなかった。
空運転時といえども回転磁界よりローターは反発力（浮上）は受けているので重量支持装置（ＭＳ１）により更に安定した運転が出来、回転部分と周壁との非接触は維持出来た。テストとしては３時間連続運転を５回行い、塗装の剥離なく、非接触を確認、良好である結果を得た。
【０００９】
【発明の効果】
本装置は液中に軸受、シールがなく且つ磁石等も簡単に樹脂等でコーティング又はライニングが出来るので接液部分に金属の露出をなくすことが出来る。
又回転部分がすべて周壁と非接触なので摺動によるコンタミの発生、金属イオンの液中への溶出を防ぐ事が出来ると共に耐蝕（含電蝕）にしうるので腐蝕性のある液、コンタミを避けなければならない場合等に使用範囲は極めて広いという効果がある・
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の非接触ポンプの縦断面図
【図２】図１のＸ１〜Ｙ１断面図
【図３】従来のポンプに於いてインペラーが過浮上した場合のインペラー、ロ
ーターの周壁との接触を示す図
【図４】インペラーケーシングを二重壁にした場合の液流、圧力の変化を示す
図
【図５】２ケの磁石の反発を示す説明図
【図６】２ケの円筒形磁石の反発を示す説明図
【図７】図６のＸ２〜Ｙ２断面図
【図８】２ケの円筒形磁石の反発を示す説明図
【図９】回転軸に円筒形磁石を取り付けた時の作用力を示す図
【図１０】回転軸に円筒形磁石を取り付けた時の作用力を示す図
【図１１】図９のＸ３〜Ｙ３断面図
【図１２】回転軸のスラスト力に対する反発装置の断面及び作用力説明図
【図１３】図１２のＸ４〜Ｙ４断面図
【図１４】本発明全体の横断面図
【図１５】本発明全体の横断面図
【図１６】楔板の取り付け図
【図１７】図１６のＸ５〜Ｙ５断面図
【図１８】楔板の断面図
【符号の説明】
１ インペラーケーシング
１−１ 吐出口
１−２ 内壁
１−３ 内外壁間充填部分
１−４ 上吐出孔
１−５ 下吐出孔
１−６ 楔板
１−６−１ 楔板の斜面部
β 楔角度
Ｐ_１ １−４の液圧
Ｐ_２ １−５の液圧
２ インペラー
２−１ 羽根取付板
３ ローター
４ ローター軸
５ キャン
６ 外磁石
７ 内磁石
８ モーター
１０ 磁石（フリー側）
１１ 磁石（固定側）
１２ 磁力線
１３ 磁力線
Ｐ_０１ 反発点
Ｅ１〜Ｅ８ 磁石の飛びだそうとする方向
ｇ_１ （１０）（１１）間のギャップ
Ｕ 上側
Ｄ 下側
１４ 円筒形磁石（外磁石筒）
１５ 円筒形磁石（内磁石筒）
¢_１ （１４）の中心線
¢_２ （１５）の中心線
Ｐ_０２ 反発点
Ｒ_１・Ｐ_０２ 反発線
Ｒ_２・Ｐ_０３ 反発線
δ_１ （１４）と（１５）のずれ
２０ 円筒形磁石（内磁石筒）
２１ 分割型円弧形磁石筒
２２ 分割型円弧形磁石筒
２３ 分割型円弧形磁石筒
２４ 分割型円弧形磁石筒
２５ 回転軸
δ_２ （２０）と（２１）のずれ
δ_３ （２０）と（２１）のずれ
Ｒ_３・Ｐ_０４ 反発線
Ｒ_４・Ｐ_０５ 反発線
Ｒ_５・Ｐ_０６ 反発線
Ｒ_６・Ｐ_０７ 反発線
ｇ_２ 内外磁石間のギャップ
Ｅ９ （２５）の飛び出し方向
Ｅ１０ （２５）の飛び出し方向
３０ 回転円筒
３１ 棒状円筒磁石
３２ 棒状円筒磁石
ｒ_１ （３１）の取り付け半径
ｒ_２ （３１）の取り付け半径
３３ 固定側円筒
３４ 棒状円筒磁石
３５ 棒状円筒磁石
ｇ_３ （３１）と（３４）の極間隔
ｇ_４ （３１）と（３４）の極間隔
¢_３ （３０）の中心線
¢_４ （３３）の中心線

Claims (4)

1. インペラーケーシングを内外壁のある二重壁とし、内壁の上下にインペラーよりの吐出液を通す吐出孔をあける。上方吐出孔は吐出管につながる吐出口と下方の孔は上方の吐出口で上方の吐出孔と合流する様な構造とする。
   上記の構造のインペラーケーシングによる非接触ポンプの回転部分の非接触を確実にする装置。
2. インペラーに回転力を与える円筒（以下ローターと記す）とインペラーを連結する連結軸（以下ローター軸と記す）に回転部分の重量を非接触で支える磁気軸受を設置する。この磁気軸受は回転部分の重量を支えると共にそれをローター側に押す力を発生させるような構造とする。
   ローター軸の先端とローターのキャンの内側に対応させて相互に反発作用を有する反発用磁石装置を取り付ける。そしてその反発力は前記磁気軸受によるローター軸をローター側に押す力と均衡させるようにする。
   上記の構造、構成の非接触の磁気軸受及び磁気反発装置による請求項１記載の非接触ポンプの回転部分の非接触を確実にする装置。
3. ローター軸に磁気軸受を設置するがこの軸受は回転部分の重量を支えると共に、それをローターと反対側即ちインペラー側に押す力を発生させる構造とする。ローター軸をインペラー内に貫通させて反対側に延長し（以下延長軸と記す）、その先端に請求項２記載の磁石装置と同じ構造の反発力磁石装置を取り付けローター軸をインペラー側に押す力と均衡させるようにする。上記の構造、構成の非接触の磁気軸受及び磁気反発装置による請求項１記載の非接触ポンプの回転部分の非接触を確実にする装置。
4. インペラーがクローズド形の場合インペラー両側板に対応するケーシングに僅かの傾斜角を有する複数個の板（以下楔板と記す）をつけインペラーの還流によりインペラーとローター間に楔効果を発生させることによってインペラーが側板に接触するのを防ぐようにする。
   上記の構造の楔板による請求項１記載の非接触ポンプの回転部分の非接触を確実にする装置。

Images