JP2011157897A

JP2011157897A - 遠心ポンプ

Info

Publication number: JP2011157897A
Application number: JP2010021223A
Authority: JP
Inventors: Hideo Hoshi; 英男星; Shogo Nakajima; 祥吾中島; Tatsuya Hidaka; 達哉日高; Yasuharu Yamamoto; 康晴山本; Takeshi Okubo; 剛大久保
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: JP5700936B2

Abstract

【課題】軸シール機構が不要で漏れのない遠心ポンプを提供する。
【解決手段】液体の流入口１１及び流出口を備えたポンプ室１２を形成するケーシング１０と、ポンプ室１２の内部に配設されてピボット軸受２０により回転可能に支持されている羽根車３０と、羽根車３０に内蔵させた永久磁石４１を隔壁越しに回転駆動させる磁気カップリング装置４０とを備え、ケーシング１０に対して回転軸線方向に支持されている羽根車３０を磁気カップリング装置４０により駆動し、流入口１１を介して回転軸線方向から導入した液体に圧力を与えて流出口から半径方向へ送出するように構成されたシールレス型の遠心ポンプ１において、磁気カップリング装置４０が羽根車回転面から回転軸中心へ向けて流入口１１側へ傾斜する線上に配置され、羽根車３０の回転中心に回転軸線方向の貫通孔３３が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気カップリングにより羽根車を駆動して液体に圧力を与える遠心ポンプに係り、特に、微粒子を含む薬液等の液体や固着しやすい薬液等の液体に好適な遠心ポンプに関する。

従来、一般的なポンプは、ポンプ室内の流体が軸部から外部へ漏出することを防止するために、そして、外部から空気等を吸い込むことを防止するために、軸シール機構（軸封装置）を有している。軸シール機構としては、グランドパッキン、ラビリンス、メカニカルシール等が実用化されており、ポンプの運転環境やコスト等により選定されている。
また、上述したポンプの中には遠心ポンプがあり、ケーシング内で羽根車を回転させることにより、流体に対して遠心力で半径方向に圧力エネルギーまたは速度エネルギーを与えるように構成されている。

上述した遠心ポンプには、永久磁石がポンプロータの強磁性範囲へ半径方向に作用することで、ポンプロータを安定化させて回転駆動するものがある。（たとえば、特許文献１参照）
また、羽根車の軸部に永久磁石を設け、ケーシング側に設けた回転磁界を発生する駆動装置により羽根車を回転させる人工心臓用遠心ポンプが知られている。この場合、羽根車はピボット軸受により支持されており、ピボット軸及びピボット受けの材質には、たとえばセラミックスと超高分子量ポリエチレンとの組合せのように、硬度の異なる材質を選択することが開示されている。（たとえば、特許文献２参照）

特許第２８６９８８６号公報特開２００２−３４９４８２号公報

ところで、軸シール機構を備えた遠心ポンプは、軸シール部品からの漏れ発生、摩耗や摩擦の発生、及び耐熱温度や耐圧の制限といった問題を有している。このため、軸シール機構が不要で、しかも漏れのない遠心ポンプの開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、軸シール機構が不要で漏れのない遠心ポンプを提供することにある。特に、本発明の目的は、微粒子を含む薬液等の液体や固着しやすい薬液等の液体に好適であり、しかも、容易に小型化できる構造の遠心ポンプを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る遠心ポンプは、液体の流入口及び流出口を備えたポンプ室を形成するケーシングと、前記ポンプ室の内部に配設されてピボット軸受により回転可能に支持されている羽根車と、前記羽根車に内蔵させた永久磁石を隔壁越しに回転駆動させる磁気カップリング装置とを備え、前記ケーシングに対して回転軸線方向に支持されている前記羽根車を前記磁気カップリング装置により駆動し、前記流入口を介して回転軸線方向から導入した液体に圧力を与えて前記流出口から半径方向へ送出するように構成されたシールレス型の遠心ポンプにおいて、前記ピボット軸受が、前記羽根車の回転軸中心に位置するピボット軸と、前記流入口の軸中心線上で前記ピボット軸を両側から支持する２点支持の軸受部とを備え、前記磁気カップリング装置が、羽根車回転面から回転軸中心へ向けて前記流入口側へ傾斜する線上に配置され、かつ、前記羽根車の回転中心に回転軸線方向の貫通孔が形成されていることを特徴とするものである。

このような本発明の遠心ポンプによれば、ピボット軸受が、羽根車の回転軸中心に位置するピボット軸と、流入口の軸中心線上でピボット軸を両側から支持する２点支持の軸受部とを備え、磁気カップリング装置が、羽根車回転面から回転軸中心へ向けて流入口側へ傾斜する線上に配置され、かつ、羽根車の回転中心に回転軸線方向の貫通孔が形成されているので、羽根車の回転軸線方向においては、羽根車の両面に対称な２次流れが形成されるようになり、従って、軸スラスト力をバランスさせてピボット軸受の負荷を軽減することができる。

上記の発明において、前記ピボット軸受は、少なくとも前記ビボット軸の一部が前記羽根車より前記流入口側へ突出していることが好ましく、これにより、流速の高い流入口側に設置されたピボット軸受は、流入口から導入される流体により効率よく冷却される。

上述した本発明によれば、磁気カップリング装置を回転軸中心へ向けて流入口側へ傾斜する線上に配置し、２点支持のピボット軸受により羽根車を安定支持するとともに、羽根車の回転中心に回転軸線方向の貫通孔を形成したので、羽根車の両面には、回転軸線方向において両面に対称な２次流れが形成される。このため、羽根車及びピボット軸に作用する軸スラスト力は回転軸線方向においてバランスするので、安定した２点支持のピボット軸受に作用する負荷を軽減して、軸シール機構を用いることなく漏れのない小型の遠心ポンプを容易に提供することができる。
また、磁気カップリング装置により駆動されて軸シール機構のない遠心ポンプは、液体中の微粒子が破損しにくい構造及び液体が固着しにくい構造となるので、微粒子を含む薬液等の液体や固着しやすい薬液等の液体に好適なポンプとなる。

本発明に係る遠心ポンプの一実施形態を示す図で、（ａ）は縦断面図（回転軸線方向の断面図）、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１のピボット軸受を拡大して示す図である。ピボット軸に作用するスラスト力及び羽根車の上下で対称な２次流れの説明図である。

以下、本発明に係る遠心ポンプの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態の遠心ポンプ１は、液体の流入口１１及び流出口（不図示）を備えたポンプ室１２を形成するケーシング１０と、ポンプ室１２の内部に配設されてピボット軸受２０により回転可能に支持されている羽根車３０と、羽根車３０に内蔵させた永久磁石４１をケーシング１０の隔壁越しに回転駆動させる磁気カップリング装置４０とを具備して構成される。

ケーシング１０は、羽根車３０の回転軸中心と同軸の流入口１１から液体を導入し、羽根車３０の回転により昇圧するポンプ室１２を形成している。ポンプ室１２内で昇圧された液体は、ポンプ室１２に設けられた流出口から羽根車３０の半径方向へ送出される。すなわち、羽根車３０は、ケーシング１０のポンプ室１２内において、流入口１１の軸中心線と一致する回転軸となるピボット軸受２０に支持されて回転する。図示の構成例では、羽根車３０が水平面上で回転し、流入口１１は、羽根車３０の回転面（水平面）と直交する鉛直線上で、かつ、羽根車回転面の上方に配置されている。

ピボット軸受２０は、羽根車３０の回転軸中心に位置するピボット軸２１と、流入口１１の軸中心線上でピボット軸２１を両側から支持する２点支持の軸受部２２，２３とを備えている。これら一対の軸受部２２，２３は、いずれもケーシング１０側に固定支持されている。
羽根車３０側に支持部材２４を介して固定支持されたピボット軸２１には、たとえばアルミナセラミックスや浸炭窒化チタン合金等のように、低摩擦性能、水潤滑性能及び耐食性に優れた素材が採用されている。
一方、ケーシング１０側に固定支持されている軸受部２２，２３には、たとえば超高分子量ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂材等のように、低摩擦性及び耐摩耗性に優れた素材が作用されている。

また、ピボット軸受２０は、凹型曲面を有する軸受部２２，２３が、略同形状の凸型曲面を有するピボット軸２１を回転自在に支持する構造とされる。すなわち、図示の構成例では、羽根車３０の回転軸線上において、ピボット軸２１の下面を軸受部２２が支持し、ピボット軸２１の上面を軸受部２３が支持することにより、安定した２点支持構造のピボット軸２０となっている。この場合、一方の軸受部２２は、ケーシング１０に設けた軸受支持部１３に固定支持され、他方の軸受部２３は、支持部材２３ａを介して流入口１１の内周面に固定支持されている。
軸受支持部１３は、羽根車３０の回転軸線上でケーシング１０の内面を流入口１１側へ突出させた部分であり、羽根車３０の回転中心に形成された回転軸線方向の貫通孔３３を略貫通するように設けられている。この場合の軸受支持部１３は、回転軸線方向（流入口１１）から羽根車３２の半径方向へ向けて、滑らかな曲線を描きながら方向転換をしている。

羽根車３０は、羽根車本体３１に複数の羽根部３２を取り付けたものである。図示の構成例では、略中空円柱形状とした羽根車本体３１の流入口側端面に、複数の羽根部３２が半径方向へ放射状に取り付けられている。また、羽根車３０の軸中心部に設けた貫通孔３３には、ピボット軸２１と羽根車３０とを連結する支持部材２４が放射状に複数設けられている。なお、図示の構成例では、略１２０度ピッチに３本の支持部材２４が設けられ、各支持部材２４の間に３箇所の貫通孔３３が形成されているが、これに限定されることはない。
このように構成された羽根車３０は、ケーシング１０に対して、ピボット軸受２０を介して回転軸線方向に支持され、かつ、後述する磁気カップリング装置４０の駆動力により回転軸線を中心に回転可能に支持されている。

磁気カップリング装置４０は、羽根車３０に内蔵された永久磁石４１と、ケーシング１０の外周部を回転する駆動側磁石４２とを具備して構成される。なお、永久磁石４１や駆動磁石４２に好適な磁石としては、たとえば最も強力といわれるネオジム磁石が遠心ポンプ１の小型化に有効である。
図示の構成例では、複数の永久磁石４１が羽根車本体３１の内部に周方向へ等ピッチに埋設されている。
駆動磁石４２は、図示しない駆動源に連結された回転軸４３と一体に回転するロータ４４に対し、複数が周方向へ等ピッチに固定設置されている。

本実施形態における磁気カップリング装置４０は、羽根車３０の回転軸中心へ向けて、羽根車回転面から流入口１１側へ傾斜する線上に配置されている。すなわち、磁気カップリング装置４０は、羽根車３０の回転面から傾斜配置された状態となり、永久磁石４１及び駆動磁石４２の磁力は、羽根車回転面から流入口１１側へ傾斜する線上において互いに引き合う方向に作用する。

このように構成された遠心ポンプ１は、磁気カップリング装置４０を駆動させることにより、すなわち、ロータ４４とともに駆動磁石４２を回転させることにより、羽根車３０は永久磁石４１が駆動磁石４２に引きつけられて連れ廻りする。このため、磁気カップリング４０は、ケーシング１０の隔壁越しに羽根車３０を回転駆動させることができ、この結果、流入口１１を介して回転軸線方向から導入した液体は、羽根車３０により圧力を付与されて流出口から半径方向へ流出する。

このように構成された遠心ポンプ１は、ピボット軸受２０が、羽根車３０の回転軸中心に位置するピボット軸２１と、流入口１１の軸中心線上でピボット軸２１を両側から支持する２点支持の軸受部２２，２３とを備え、磁気カップリング装置４０が、羽根車回転面から回転軸中心へ向けて流入口１１側へ傾斜する線上に配置され、かつ、羽根車３０の回転中心に回転軸線方向の貫通孔３３が形成されているので、羽根車３０の回転軸線方向においては、たとえば図３に示すように、羽根車３０の両面に対称な２次流れ（図中の矢印Ｗ参照）が形成される。
この場合、羽根車３０の両面は、回転軸線方向においてポンプ室１２の内面と対向する上下の面であり、羽根車３０のエアギャップ（隙間）を形成している面でもある。

上述した貫通孔３３を設けたことにより、羽根車３０の上下両面には、エアギャップを通って回転軸線方向へ向かう上下対称の２次流れが形成されるようになり、従って、上下逆向きに作用する軸スラスト力Ｆｓをバランスさせてピボット軸受２０の負荷を軽減することができる。このとき、支持部材２４が滑らかに方向転換する形状を有しているので、この支持部材２４が上下対称となる２次流れの形成をより一層促進する。

また、上述した遠心ポンプ１のピボット軸受２０は、少なくともビボット軸２１の一部を羽根車３０より流入口１１側へ突出する位置に配置することが望ましい。ポンプ室１２内において羽根車３０より流入口１１側へ突出する位置は、流入口１１よりポンプ室１２内に導入した液体の主流が常に通過する流路となる領域であり、従って、液体の流速が高い領域でもある。

このため、ポンプ室１２に導入する液体の流速が高い領域に配置されたピボット軸受２０は、遠心ポンプ１で昇圧する液体との接触による冷却効果が促進されるため、ピボット軸受２０の摺動面に発生する摩擦熱が効率よく吸収されて温度上昇を抑制できる。すなわち、流速の高い流入口１１側に設置されたピボット軸受２０は、流入口１１から導入される流体の流れによって効率よく冷却されるようになるので、ピボット軸受２０の温度上昇を抑制して、ピボット軸受２０及び遠心ポンプ１の耐久性を向上させることができる。
なお、ビボット軸受２０の位置については、冷却効果のみを考えるとピボット軸受２０の全体を液体流速の高い領域に、すなわち羽根車３０より高い（流入口１１に近い）領域に配置すればよいが、たとえば羽根車３０の安定した回転支持の条件等を考慮して、現実的な最適位置を選択すればよい。

このように、上述した実施形態の遠心ポンプ１によれば、磁気カップリング装置４０を回転軸中心へ向けて流入口側へ傾斜する線上に配置し、２点支持のピボット軸受２０により羽根車３０を安定支持するとともに、羽根車３０の回転中心に回転軸線方向の貫通孔３３を形成したので、羽根車３０及びピボット軸２０に作用する軸スラスト力は回転軸線方向においてバランスするので、すなわち、上下方向のスラスト力が互いに相殺されてほとんど作用しない状態となる。この結果、安定した２点支持のピボット軸受２０に作用する負荷を軽減し、軸シール機構を用いることなく漏れのない小型の遠心ポンプ１を容易に提供することができる。
また、磁気カップリング装置４０により駆動される軸シール機構のない遠心ポンプ１とすれば、液体中の微粒子を破損させる原因や液体を固着させる原因となる軸シール機構がないため、微粒子を含む薬液等の液体（混合流体）や固着しやすい薬液等の液体等を昇圧させる好適なポンプとなる。

また、羽根車３０の羽根部３２は、ピボット軸受２０へのラジアル負荷を軽減させるため、ダブルボリュート形状が望ましい。これは、シングルボリュートの羽根部３２とした場合、設計点付近ではラジアル荷重が低くなるものの、設計点を外れて遠心ポンプ１を運転すると、ラジアル荷重が大きくなるためである。
また、ポンプ室１２のボリュート形状は、ピボット軸受２０へのラジアル負荷を軽減させるため、クローズドインペラを採用することが望ましい。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１遠心ポンプ
１０ケーシング
１１流入口
１２ポンプ室
２０ピボット軸受
２１ピボット軸
２２，２３軸受部
３０羽根車
３３貫通孔
４０磁気カップリング装置
４１永久磁石
４２駆動磁石

Claims

液体の流入口及び流出口を備えたポンプ室を形成するケーシングと、前記ポンプ室の内部に配設されてピボット軸受により回転可能に支持されている羽根車と、前記羽根車に内蔵させた永久磁石を隔壁越しに回転駆動させる磁気カップリング装置とを備え、前記ケーシングに対して回転軸線方向に支持されている前記羽根車を前記磁気カップリング装置により駆動し、前記流入口を介して回転軸線方向から導入した液体に圧力を与えて前記流出口から半径方向へ送出するように構成されたシールレス型の遠心ポンプにおいて、
前記ピボット軸受が、前記羽根車の回転軸中心に位置するピボット軸と、前記流入口の軸中心線上で前記ピボット軸を両側から支持する２点支持の軸受部とを備え、
前記磁気カップリング装置が、羽根車回転面から回転軸中心へ向けて前記流入口側へ傾斜する線上に配置され、かつ、
前記羽根車の回転中心に回転軸線方向の貫通孔が形成されていることを特徴とする遠心ポンプ。
前記ピボット軸受は、少なくとも前記ビボット軸の一部が前記羽根車より前記流入口側へ突出していることを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。