JP2018131944A

JP2018131944A - 多段遠心ポンプ装置

Info

Publication number: JP2018131944A
Application number: JP2017025130A
Authority: JP
Inventors: 章裕落合; Akihiro Ochiai
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2018-08-23

Abstract

【課題】汎用品の軸封装置シールを用いることができ、かつ高圧の液体を生成することができる多段遠心ポンプ装置を提供する。【解決手段】多段遠心ポンプ装置は、並列に配置された第１回転軸１１および第２回転軸１２と、第１回転軸１１に固定された第１遠心羽根車１５と、第２回転軸１２に固定された第２遠心羽根車１６と、第１遠心羽根車１５を収容する第１ケーシング１８と、第２遠心羽根車１６を収容する第２ケーシング１９と、第１ケーシング１８と第２ケーシング１９とを接続する連通流路２２と、第１回転軸１１および第２回転軸１２を反対方向に同期して回転させる単一の多軸電動機２４を備える。第１遠心羽根車１５は多軸電動機２４を向き、第２遠心羽根車１６は第１遠心羽根車１５とは反対方向を向いている。【選択図】図１

Description

本発明は、液体を移送するための多段遠心ポンプ装置に関する。

図７に示すように、多段遠心ポンプ装置は、回転軸２０１に固定された複数の遠心式羽根車２０２と、回転軸２０１に連結された電動機２０３とを備える。羽根車２０２はケーシング２０６内に配置されており、ケーシング２０６の端部には吸込口２０６ａと吐出口２０６ｂが設けられる。電動機２０３により羽根車２０２を回転させると、液体は吸込口２０６ａを通じてケーシング２０６内に導かれ、複数段の羽根車２０２によって昇圧され、そして吐出口２０６ｂを通じて外部に吐き出される。このような多段遠心ポンプ装置は、液体を移送するための装置として広く使用されている。

羽根車２０２と電動機２０３との間には、軸封装置であるメカニカルシール２１０が配置されている。メカニカルシール２１０は、ケーシング２０６と回転軸２０１との間の隙間を封止し、羽根車２０２によって加圧された高圧の液体がケーシング２０６から漏洩することを防止している。

羽根車２０２の枚数が多くなるほど、多段遠心ポンプ装置は液体をより高い圧力で移送することができる。しかしながら、羽根車２０２の枚数が多くなると、メカニカルシール２１０はより高い圧力に耐えうる構造を備えている必要がある。特に最近では、建物の高層化に伴い、より高い圧力を発生することができる多段遠心ポンプ装置が求められている。このような多段遠心ポンプ装置に使用可能なメカニカルシール２１０は、汎用品には存在せず、特注品となる。このため、ポンプ装置のコストが上昇する。さらに、多くの羽根車２０２を回転軸２０１に固定すると、必然的に回転軸２０１が長くなり、回転軸２０１が撓みやすくなる。

特開２００７−２０５３６０号公報特開２０１６−１０８９５１号公報

上記問題を解決するために、図８に示すような、２台の多段遠心ポンプ装置２２０Ａ，２２０Ｂを直列に接続したポンプシステムが提案されている。１段目の多段遠心ポンプ装置２２０Ａの吐出口は、２段目の多段遠心ポンプ装置２２０Ｂの吸込口に連絡管２２３を介して接続されている。このような配列によれば、各多段遠心ポンプ装置２２０Ａ，２２０Ｂの回転軸を短くできるので、回転軸の撓みが防止できる。

しかしながら、１段目の多段遠心ポンプ装置と２段目の多段遠心ポンプ装置は直列に接続されているため、２段目の多段遠心ポンプ装置のメカニカルシール２１０には依然として高い圧力が加わる。このため、２段目の多段遠心ポンプ装置は、特注品のメカニカルシール２１０を使用する必要があり、製造コストが上昇してしまう。

そこで、本発明は、汎用品の軸封装置を用いることができ、かつ高圧の液体を生成することができる多段遠心ポンプ装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、並列に配置された第１回転軸および第２回転軸と、前記第１回転軸に固定された少なくとも１つの第１遠心羽根車と、前記第２回転軸に固定された少なくとも１つの第２遠心羽根車と、前記第１遠心羽根車を収容する第１ケーシングと、前記第２遠心羽根車を収容する第２ケーシングと、前記第１ケーシングと前記第２ケーシングとを接続する連通流路と、前記第１回転軸および前記第２回転軸を反対方向に同期して回転させる単一の多軸電動機を備え、前記第１遠心羽根車は前記多軸電動機を向き、前記第２遠心羽根車は、前記第１遠心羽根車とは反対方向を向いていることを特徴とする多段遠心ポンプ装置である。

本発明の好ましい態様は、前記第１遠心羽根車と前記多軸電動機との間に配置された第１軸封装置と、前記第２遠心羽根車と前記多軸電動機との間に配置された第２軸封装置をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１軸封装置および前記第２軸封装置は、同一の構成および同一のサイズを有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記多軸電動機は、前記第１回転軸および前記第２回転軸に連結され、永久磁石が取り付けられた複数のロータと、各ロータの外周に配置された複数の電機子とを備え、前記複数の電機子は、磁極歯と磁極歯に装着されたコイルとを備え、隣接する前記ロータに設けられた永久磁石は、該永久磁石間で電機子を介して磁気カップリングして反転可能なように異磁極の複数対をなし、前記隣接するロータを駆動するときに、対称する位置の電機子が異磁極となるように通電して該対称する位置の電機子の異磁極間で磁気カップリングさせるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、第２遠心羽根車によって加圧された液体の圧力は、第２回転軸が貫通する第２ケーシングの部位には加わらない。したがって、第２ケーシングに取り付ける軸封装置として、例えば汎用のメカニカルシールを用いることができ、結果としてポンプ装置全体のコストを下げることができる。さらに、多軸電動機は、タイミングギヤを用いることなく、第１回転軸および第２回転軸を反対方向に同期して回転させることができるので、ポンプ装置の運転中の振動や騒音を低減させることが可能である。

本発明の多段遠心ポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。図１のII−II線断面図である。図１及び図２に示す多軸電動機の動作を説明する説明図である。図３に示す動作時のコイルへの通電パターンのタイムチャートである。図３に示す動作時のコイルへの通電状態を示す回路図である。本発明の多段遠心ポンプ装置の他の実施形態を示す断面図である。多段遠心ポンプ装置の従来例を示す断面図である。多段遠心ポンプ装置の別の従来例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の多段遠心ポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。多段遠心ポンプ装置は、並列に配置された第１回転軸１１および第２回転軸１２と、第１回転軸１１に固定された複数の第１遠心羽根車１５と、第２回転軸１２に固定された複数の第２遠心羽根車１６と、複数の第１遠心羽根車１５を収容する第１ケーシング１８と、複数の第２遠心羽根車１６を収容する第２ケーシング１９と、第１ケーシング１８と第２ケーシング１９とを接続する連通流路２２と、第１回転軸１１および第２回転軸１２を反対方向に同期して回転させる単一の多軸電動機２４を備えている。複数の第１遠心羽根車１５は多軸電動機２４を向き、複数の第２遠心羽根車１６は、複数の第１遠心羽根車１５とは反対方向を向いている。本実施形態では、第１遠心羽根車１５の枚数と第２遠心羽根車１６の枚数は同じである。一実施形態では、第１遠心羽根車１５の枚数と第２遠心羽根車１６の枚数は異なってもよい。さらに、一実施形態では、第１遠心羽根車１５および第２遠心羽根車１６はそれぞれ１枚ずつのみ設けられてもよい。

第１ケーシング１８は、その端部に吸込口１８ａを有し、第２ケーシング１９は、その端部に吐出口１９ａを有している。吸込口１８ａと吐出口１９ａは同じ高さに位置している。吸込口１８ａと吐出口１９ａに、同軸上に配列された別の吸込口と吐出口を取り付けることにより、図１に示す多段遠心ポンプ装置を、インライン型多段遠心ポンプ装置として構成することも可能である。

第１ケーシング１８と第２ケーシング１９は並列して配置され、かつ互いに離れている。第１ケーシング１８の吐出し側と第２ケーシング１９の吸込み側は、連通流路２２によって接続されている。連通流路２２は、液体の流れを妨げないように、曲管から構成されている。第１遠心羽根車１５は多軸電動機２４を向いており、第２遠心羽根車１６は第１遠心羽根車１５とは反対方向を向いている。なお、多軸電動機２４を向いた方向とは、液体が吸込口１８ａから多軸電動機２４に向かって流れる方向である。

第１軸封装置としての第１メカニカルシール３１は、第１ケーシング１８の吐出し側および第１回転軸１１に着脱可能に取り付けられている。第１メカニカルシール３１は、第１遠心羽根車１５と多軸電動機２４との間に配置されている。第１ケーシング１８と第１回転軸１１との隙間は、第１メカニカルシール３１によって封止される。第２軸封装置としての第２メカニカルシール３２は、第２ケーシング１９の吸込み側および第２回転軸１２に着脱可能に取り付けられている。第２メカニカルシール３２は、第２遠心羽根車１６と多軸電動機２４との間に配置されている。第２ケーシング１９と第２回転軸１２との隙間は、第２メカニカルシール３２によって封止される。一実施形態では、第１軸封装置および第２軸封装置として、メカニカルシールに代えて、オイルシール、グランドパッキン、またはラビリンスシールなどを使用してもよい。

多軸電動機２４は、少なくとも２つの回転軸を同期して反対方向に回転させることが可能なブラシレスＤＣモータから構成されている。本実施形態では、多軸電動機２４は第１回転軸１１および第２回転軸１２を反対方向に同期して同一の速度で回転させるように構成されている。

多軸電動機２４が第１回転軸１１および第２回転軸１２を反対方向に回転させると、第１遠心羽根車１５および第２遠心羽根車１６は反対方向に回転する。第１遠心羽根車１５および第２遠心羽根車１６の回転に伴い、液体は吸込口１８ａを通って第１ケーシング１８内に流入し、第１遠心羽根車１５によって昇圧される。昇圧された液体は連通流路２２を通って第２ケーシング１９内に流入し、第２遠心羽根車１６によって昇圧される。第２遠心羽根車１６は第１遠心羽根車１５の下流に配置されており、第１遠心羽根車１５および第２遠心羽根車１６は直列に並んでいる。したがって、液体は第１遠心羽根車１５および第２遠心羽根車１６の両方によって加圧され、高圧となる。

第１メカニカルシール３１および第２メカニカルシール３２に接触する液体は、第１遠心羽根車１５によって昇圧された液体であって、かつ第２遠心羽根車１６によって昇圧される前の液体である。言い換えれば、第２遠心羽根車１６によって昇圧された液体の圧力は、第２メカニカルシール３２には作用しない。本実施形態では、第１遠心羽根車１５と第２遠心羽根車１６の枚数は同じであるので、第１メカニカルシール３１および第２メカニカルシール３２に作用する圧力は、吐出口１９ａから吐き出される液体の圧力の半分である。よって、第１メカニカルシール３１および第２メカニカルシール３２には、汎用のメカニカルシールを使用することができる。結果として多段遠心ポンプ装置全体のコストを下げることができる。

第１ケーシング１８の吐出し側と第２ケーシング１９の吸込み側は、連通流路２２によって接続されているので、第１メカニカルシール３１および第２メカニカルシール３２には液体の同じ圧力が作用する。したがって、第１メカニカルシール３１および第２メカニカルシール３２には、同一の構成および同一のサイズを有するメカニカルシールを用いることができる。

第１回転軸１１および第２回転軸１２は、第１軸継手３５および第２軸継手３６によって共通の多軸電動機２４のロータ２Ａ，２Ｂにそれぞれ連結されている。回転軸１１，１２と多軸電動機２４との間には、タイミングギヤは存在せず、多軸電動機２４が発生したトルクは、第１回転軸１１および第２回転軸１２に直接伝達される。このような多軸電動機２４を用いた構成により、多段遠心ポンプ装置の運転中の振動や騒音を低減させることが可能である。

次に、多軸電動機２４の一実施形態を説明する。図１は多軸電動機２４の縦断面を示している。図２は図１のII−II線断面図である。モータフレーム１内には一対のロータ２Ａ，２Ｂが収容されている。各ロータ２Ａ，２Ｂは両端部近傍で軸受５，５によって回転可能に支承されている。２つのロータ２Ａ，２Ｂは、それぞれ２ｎ極（ｎは極数）の永久磁石２ａ，２ｂを軸芯に対称に等間隔で磁束がラジアル方向に発生するように配置されている。本実施形態においては、各々のロータ２Ａ，２Ｂはｎ＝２であり、Ｓ，Ｎ，Ｓ，Ｎの４極の永久磁石がそれぞれのロータに取り付けられている。これら４つの永久磁石は、各ロータの中心軸線の周りに等間隔で配列されている。本実施形態では、永久磁石は各々のロータ２Ａ，２Ｂの外周面に固定されているが、一実施形態では、永久磁石は各々のロータ２Ａ，２Ｂ内に埋設されてもよい。

ロータ２Ａ，２Ｂの外周側には、各ロータ２Ａ，２Ｂの外周全周を囲むように複数の電機子３ａ_１〜３ａ_６，３ｂ_１〜３ｂ_６が配設されている。隣接する電機子間のピッチは６０°に設定されている。各電機子３ａ_１〜３ａ_６，３ｂ_１〜３ｂ_６は、電機子鉄心Ａｃに形成された磁極歯Ｕ〜Ｚ，Ｕ１〜Ｚ１と、磁極歯Ｕ〜Ｚ，Ｕ１〜Ｚ１に装着されたコイル４ａ，４ｂとから構成されている。磁極歯Ｕ〜Ｚ，Ｕ１〜Ｚ１は円周等配に形成されており、磁極歯Ｕ〜Ｚ，Ｕ１〜Ｚ１には、両ロータ２Ａ，２Ｂの軸線の中心面Ｃにおいて対称かつ反対の磁極となるように前記コイル４ａ，４ｂがそれぞれ装着されており、コイル４ｂはコイル４ａと反対巻きとなっている。

次に、前述のように構成された多軸電動機２４の動作を説明する。図３は多軸電動機２４の動作を説明する説明図である。なお、図３では図解を簡略化するためにロータと電機子のみ示している。
電機子のコイル４ａ，４ｂに通電すると、電機子にはロータ２Ａ，２Ｂをそれぞれ反転して回転させる空間移動磁界が形成される。すなわち、図３（ａ）の状態では電機子の磁極歯Ｕ，ＸにはＮ極，磁極歯Ｖ，ＹにはＳ極が形成され、電機子の磁極歯Ｕ１，Ｘ１にはＳ極，磁極歯Ｖ１，Ｙ１にはＮ極が同時に形成されるように通電すると、ロータ２Ａ，２Ｂは矢印で示すように、対向する方向に回転駆動される。

同様に図３（ｂ）において、磁極歯Ｖ，ＹにはＳ極，磁極歯Ｗ，ＺにはＮ極が形成され、磁極歯Ｖ１，Ｙ１にはＮ極、磁極歯Ｗ１，Ｚ１にはＳ極が形成され、更に図３（ｃ）に示すように、磁極歯Ｘ，ＵにはＳ極，磁極歯Ｗ，ＺにはＮ極が形成され、磁極歯Ｘ１，Ｕ１にはＮ極、磁極歯Ｗ１，Ｚ１にはＳ極がそれぞれ同時に形成されるように通電すると、ロータ２Ａ，２Ｂは連続した回転力で矢印で示す対向する方向に回転駆動される。

ロータ２Ａ，２Ｂのそれぞれ永久磁石２ａ，２ｂにより発生する磁界は、電機子によって磁路が各ロータ２Ａ，２Ｂ間で形成され閉じるように構成されている。したがって、一対のロータ２Ａ，２Ｂには、異磁極面で磁気カップリング作用が働き、必ず同期して相互に反対方向に回転する。

図４は、図３に示す動作時のコイルへの通電パターンのタイムチャートであり、磁極歯Ｕ〜Ｚの各コイル４ａ及び磁極歯Ｕ１〜Ｚ１の各コイル４ｂに供給する直流電流の通電パターンを示す図である。各磁極歯Ｕ〜Ｚ及び磁極歯Ｕ１〜Ｚ１には、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように磁化されるように空間移動磁界（回転磁界）が発生し、ロータ２Ａ，ロータ２Ｂは、前述したように互いに反対方向に同期して回転する。図４に示すパターンの直流を通電する通電回路は、図示は省略するが、半導体素子等の既存の電気素子で構成することができる。

図５は、図３に示す動作時のコイルへの通電状態を示す回路図である。図５（ａ）は図３（ａ）の動作時のコイルの通電状態を示し、図５（ｂ）は図３（ｂ）の動作時のコイルの通電状態を示し、図５（ｃ）は図３（ｃ）の動作時のコイルの通電状態を示している。

以上説明した図１乃至図５に示す実施形態においては、永久磁石２ａ，２ｂが取り付けられた一対のロータ２Ａ，２Ｂを並列して配設し、各ロータの外周全周に複数の電機子３ａ_１〜３ａ_６，３ｂ_１〜３ｂ_６を配設し、永久磁石２ａ，２ｂは、ロータ２Ａ，２Ｂ間で電機子を介して磁気カップリング可能なように異磁極の複数対をなすため、磁気カップリング作用により同期反転を可能にすると共に、それぞれの軸受には過大な偏心荷重をかけずラジアル方向にバランスのとれた均等な荷重となるので、２軸を高速で安定して同期反転駆動することができ、かつ、長寿命な電動機を提供することができる。

また本実施形態によれば、隣接するロータ２Ａ，２Ｂ間で永久磁石２ａ，２ｂが磁気カップリングする場合に、複数対の異磁極間で磁気カップリング可能であるため、磁気カップリング面積が大きくとれ、しかも均等なエアギャップ長にできるので脈動のない大きな同期力が得られる。
さらに本実施形態によれば、一対のロータ２Ａ，２Ｂを駆動するときに、対称する位置の電機子が異磁極となるように通電するため、無通電時の磁気カップリング効果に加え、通電時の磁気カップリング効果をさらに高めることができる。

本実施形態では、多軸電動機２４は第１回転軸１１および第２回転軸１２を同一の速度で同期反転させるように構成されているが、多軸電動機２４は第１回転軸１１および第２回転軸１２を異なる速度で同期反転させるように構成することも可能である。具体的には、ロータ２Ａ，２Ｂの永久磁石の磁極数を異ならせ、磁極数比に応じた回転速度比でロータ２Ａ，２Ｂを同期反転させてもよい。

図６は、本発明の多段遠心ポンプ装置の他の実施形態を示す断面図である。図６に示すように、第１ケーシング１８と第２ケーシング１９は互いに接触している。第１ケーシング１８の吐出し側と第２ケーシング１９の吸込み側は、連通流路２２によって接続されている。その他の構成は、図１に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１モータフレーム
２Ａ，２Ｂロータ
３ａ_１〜３ａ_６，３ｂ_１〜３ｂ_６電機子
４ａ，４ｂコイル
１１第１回転軸
１２第２回転軸
１５第１遠心羽根車
１６第２遠心羽根車
１８第１ケーシング
１９第２ケーシング
２２連通流路
２４多軸電動機
３１第１メカニカルシール（第１軸封装置）
３２第２メカニカルシール（第２軸封装置）

Claims

並列に配置された第１回転軸および第２回転軸と、
前記第１回転軸に固定された少なくとも１つの第１遠心羽根車と、
前記第２回転軸に固定された少なくとも１つの第２遠心羽根車と、
前記第１遠心羽根車を収容する第１ケーシングと、
前記第２遠心羽根車を収容する第２ケーシングと、
前記第１ケーシングと前記第２ケーシングとを接続する連通流路と、
前記第１回転軸および前記第２回転軸を反対方向に同期して回転させる単一の多軸電動機を備え、
前記第１遠心羽根車は前記多軸電動機を向き、前記第２遠心羽根車は、前記第１遠心羽根車とは反対方向を向いていることを特徴とする多段遠心ポンプ装置。
前記第１遠心羽根車と前記多軸電動機との間に配置された第１軸封装置と、
前記第２遠心羽根車と前記多軸電動機との間に配置された第２軸封装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の多段遠心ポンプ装置。
前記第１軸封装置および前記第２軸封装置は、同一の構成および同一のサイズを有することを特徴とする請求項２に記載の多段遠心ポンプ装置。
前記多軸電動機は、
前記第１回転軸および前記第２回転軸に連結され、永久磁石が取り付けられた複数のロータと、
各ロータの外周に配置された複数の電機子とを備え、
前記複数の電機子は、磁極歯と磁極歯に装着されたコイルとを備え、隣接する前記ロータに設けられた永久磁石は、該永久磁石間で電機子を介して磁気カップリングして反転可能なように異磁極の複数対をなし、前記隣接するロータを駆動するときに、対称する位置の電機子が異磁極となるように通電して該対称する位置の電機子の異磁極間で磁気カップリングさせるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多段遠心ポンプ装置。