(57)【要約】【課題】固定軸の剛性を向上させるためのシールレス磁気駆動ポンプ、より具体的には、耐腐食ケーシング・ライナを有する金属磁気駆動ポンプを提供すること。【解決手段】本願発明の磁気駆動ポンプは、腐食性流体に関係する製造プロセスにおいて用いられる。ポンプは、特に、強い腐食性かつ（２００℃までの）高温の条件下で、フロントサポートの剛性を向上させるために用いられる。固定軸は、ポンプ・ケーシングと一体化された金属フロントサポートをポンプ入口に有して、フルオロポリマで構成された樹脂エンクロージャでカプセル化されている。格納シェルの密封された底側に後部軸座が配置されて、固定軸のための補助的支持を提供している。インペラは、入口流速を低減するための流路を有し、これにより、低ＮＰＳＨｒを提供している。【選択図】図１Ａ
2014058986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低流動抵抗構造を有する磁気駆動ポンプであって、
ポンプ・ケーシングの入口と、フロントサポートと、インペラと、前記ポンプ・ケーシングのボリュートと、を備え、
前記インペラを、前記ポンプ・ケーシングに関して、軸方向にある距離シフトさせることで、前記インペラの出口の流心線がポンプ出口の前記ボリュートの中心線の内側に位置するようにして、これにより、前記ポンプ・ケーシングの入口と前記インペラの入口との間の流動距離をより長くしており、
前記インペラの入口の羽根前縁付近でのシュラウド曲面の幾何学的形状は、適切な曲率半径を有し、
固定軸の近くかつ羽根前縁付近でのハブプレートは、前部軸座の円錐体の曲面と調和する凹型設計であり、
前記ポンプ・ケーシングのポンプ入口の内径円筒形内面と、シュラウド曲面と、シュラウド面とで、前記インペラの滑らかな表面を形成しており、
前記円錐体は、円錐面によって、前記インペラの入口まで軸方向に延出しており、円錐曲面と、前記インペラのハブ表面のハブ凹面とで、同じく滑らかな曲面を形成しており、
前記ポンプ入口の内部空間では、断面積が滑らかに変化しており、流体は前記ポンプ入口に入って、リブプレートのプレート前縁を通り、より長い前記流動距離によって、流体の流速が増加するとともに、最小限の障害が実現され、流れは前記リブプレートによって調整されることを特徴とする、
磁気駆動ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気駆動ポンプに関し、より具体的には、磁気駆動ポンプを摂氏２００度（℃）で確実に作動させるとともに、磁気駆動ポンプが流体を輸送する際の高性能要件を満たすため、固定軸と、耐腐食ケーシング・ライナを備えた金属製ポンプ・ケーシングとを有する磁気駆動ポンプに関するものである。さらには、固定軸支持構造および流路構造を備えた一体型ケーシングを改良することで、フルオロポリマ部品構造への温度の影響を低減するように固定軸の支持剛性を向上させ、また、磁気駆動ポンプの性能、信頼性、および寿命を向上させている。
【背景技術】
【０００２】
当業者に知られているシールレス磁気駆動ポンプは、一般に腐食防止またはリーク防止を目的として採用される。構造設計では、磁気駆動ポンプは、固定軸または回転軸のいずれかを備える。固定軸の支持手段として、両持ち支持構造または片持ち支持構造を有し、固定軸を有する磁気駆動ポンプの固定軸サポートの材質は、プラスチック材料、または金属による強化プラスチック材料であり、固定軸の前端と後端は、それぞれプラスチック製の三角フロントサポートと格納シェルの密封型後部軸座によって支持されている。格納シェルの底部側を、繊維強化構造が覆っている。
作動温度が上昇すると、プラスチックの剛性が低下し、それによって三角フロントサポートの剛性および後部軸座の剛性も低下して、これにより固定軸が曲がったり動いたりする。固定軸の後端の片持ち支持は、格納シェルの金属強化された底部側によってサポートされ、支持剛性は、片持ち固定軸に作用して格納シェルに広がる径方向の力に根差しており、それによって格納シェルの変形を抑えるとともに、固定軸の取扱いを向上させている。しかし、その剛性は、格納シェルの繊維強化プラスチックの温度によって制限される。以下の従来技術は、磁気駆動ポンプの固定軸に関する問題および潜在的問題についてさらに説明するものである。
【０００３】
事例１：
特許文献１：シールド磁気駆動シールレスポンプ，２００６年。
この特許は、ドライラン条件のための軸受設計について記載している。発明の図面は、プラスチック磁気駆動ポンプの従来の両持ち固定軸と、入口の内部空間に設けられ、ハブ開口部を通って軸方向に延びる三角フロントサポートと、を確かに示している。三角フロントサポートの後端かつハブ開口部の内側に、固定軸の一端を支持するための前部軸座が配置されている。
この特許は、三角フロントサポートによる流入路の流動抵抗をできる限り低減することを試みている。格納シェルはカップ状シェル構造であって、固定軸の他端を支持するための、貫通孔を持たない後部軸座が、格納シェルの底側に配置されている。三角フロントサポートの剛性と格納シェルの剛性は、温度の上昇によって容易に低下する。図示されているように、三角フロントサポートによる流入路への影響を抑えるため、前部軸座がハブ開口部を通るように、三角フロントサポートの長さを意図的に延長している。
ところが、このような構造は、三角フロントサポートの径方向の強度が低減することがあり、低温で低出力の装置のみで採用されるべきである。
【０００４】
事例２：
特許文献２：磁力によって作動する機械駆動システム，２００６年。
この特許は、磁気駆動ポンプの外側回転子の構造および設計について記載しており、発明の図面は、磁気駆動ポンプの従来の両持ち固定軸と、入口の内部空間に配置され、射出成形によりポンプ・ケーシングと一体化された三角フロントサポートと、を明確に示している。三角フロントサポートは、インペラの羽根の入口付近に向かって軸方向に延びている。フロント・スラストリングが三角フロントサポートの前部軸座の端面に設けられており、スラスト軸受がハブプレート上に設けられて、インペラの入口に向かって突き出している。
格納シェルは、カップ状シェル構造であって、固定軸の他端を支持するための、貫通孔を持たない後部軸座が、格納シェルの底側に配置されている。三角フロントサポートの前部軸座とスラストリングからの、流入路の流動抵抗を抑えるために、インペラの入口の直径を、ポンプの入口の内径よりも大きくなるように増加させており、これによって流動抵抗を低減することができる。しかしながら、インペラのハブプレートと前部軸座は、滑らかな表面をなしていないので、インペラの前縁において流れを妨げることになり、流動抵抗が低減されるという効果が抑制される。
【０００５】
事例３：
特許文献３：磁気駆動の耐腐食性フルオロポリマ・ライナ付きポンプ，２００２年。
この特許は、ケーシング・ライナを備えた金属製ポンプ・ケーシングを有する磁気駆動ポンプを開示しており、フルオロポリマで構成されたケーシング・ライナの構造およびその耐腐食のための利用について記載している。
磁気駆動ポンプは、ケーシング・ライナと一体化された軸サポートを有し、そのケーシング・ライナはフルオロポリマで構成されている。フルオロポリマ製の格納シェルはカップ状シェル構造であって、固定軸の他端を支持するための、貫通孔を持たない後部軸座が、格納シェルの底側に配置されている。ところで、この両持ち固定軸のフルオロポリマ製支持構造は弾性変形が可能であり、ポンプが作動しているときの軸の振動を軽減し得ることを、この発明は示している。しかし、この発明は、その構造の剛性および信頼性が、２００℃の高温にまで当てはまるのかどうかについて、これ以上記載していない。
【０００６】
事例４：
特許文献４：分離可能な多分割インペラ・アセンブリを有する遠心ポンプ，１９９９年。
この特許は、プラスチックのケーシング・ライナを備えた金属製ポンプ・ケーシングと、両持ち固定軸構造とを有する磁気駆動ポンプを開示している。分離可能な三角フロントサポートが、入口の内側環状面に嵌め込まれた外輪によって、入口の内径空間に設けられている。軸サポートの中心に配置された前部軸座が、固定軸の前端支持を提供するように構成されている。
この特許は、三角フロントサポートが力または振動を受けるときの固定軸の前端支持の耐久性を向上させるために、耐腐食材でカプセル化された補強材を備えた三角フロントサポートを、強調したものである。また、この特許は、三角フロントサポートの前部軸座の外径を小さくすることができるように、固定軸の前端部の直径は固定軸の後端部の直径よりも小さくなければならないことと、流動要件を満たすためにノーズの表面を滑らかな曲面にすることと、をさらに強調している。固定軸の前側がポンプの入口内に設けられる場合に、インペラへの流入抵抗を抑えることができる。
【０００７】
事例５：
特許文献５：磁気結合による回転ポンプ，２００１年。
この特許は、外側回転子型磁気駆動ポンプを開示している。この特許は、プラスチック・ライナのない金属製の縦型磁気駆動ポンプが、メンテナンスの際に輸送流体を完全に排出できることを強調している。固定軸が、ポンプ入口で、三角フロントサポートと円錐形の前部軸座とからなる片持ち構造によって支持されている。三角フロントサポートと円錐形前部軸座は、金属製ポンプ・ケーシングに形成または固定されている。円錐形前部軸座はポンプ入口の内部空間に配置されており、よって、円錐形前部軸座による妨害に対応して、流路の必須空間を確保するために、ポンプ入口の内径は拡張されなければならない。入口に向かって軸方向に延びるハブ部品の内部空間に、インペラの軸受が設けられて、円錐形前部軸座の後端にあるスリーブおよびスラストリングとかみ合うように構成されている。
この場合、斜め方向に徐々に大きくなる円錐形前部軸座の曲面は、インペラの軸ハブ部品の曲面に滑らかに接続させることができ、そして、インペラの入口には、軸ハブ部品の外径に対応した大内径設計が採用される。よって、この実例は実現可能である。ところが、この構造を、高い耐腐食性を要する用途、例えばフッ化水素酸に適合させる場合には、金属製ポンプ・ケーシングにフルオロポリマ・ライナを施さなければならず、さらには、金属製ポンプ・ケーシングの内部構造面をフルオロポリマでカプセル化しなければならず、また、インペラは金属強化されたフルオロポリマで構成されなければならない。
ライナとカプセルの最小厚さは、少なくとも３ミリメートル（ｍｍ）となり、円錐形前部軸座の外径の追加される増加分は３ｍｍ要件の２倍になる。同様の増加分が、ライナが施されるか、またはカプセル化されるすべての他の部品にも適用される。フルオロポリマの構造強度を考慮すべき場合には、ライナまたはカプセルをより厚くする必要がある。フルオロポリマ製のインペラのハブプレートには金属強化板がさらに設けられ、また、構造強度およびモーメント伝達を向上させるために、インペラの軸方向に延びる軸ハブ部品を備え、さらには、軸ハブ部品の内部空間に設けられる軸受が、スリーブと同様の厚さを有するセラミック軸受で置き換えられる。
また、金属強化板、両側樹脂エンクロージャ、およびセラミック軸受の追加によって、軸ハブ部品の内径および外径が大きく増加する。円錐形前部軸座のみを樹脂エンクロージャで覆う場合は、それによって円錐形曲面の外径は増加することになるが、それでもカプセル化されたライナ付きの軸ハブ部品の外径よりは遥かに小さく、この場合、円錐形前部軸座の金属部分の傾斜は、インペラの軸ハブ部品の曲面に滑らかに接続されるように、その外径を大きくすることにより調整されなければならない。すなわち、ポンプ入口の内部空間の円筒内面は、円錐形前部軸座の曲面および軸ハブ部品の外径に応じた、より大きく広がる角度を持つことになる。従って、大口径設計を採用しているインペラの入口は、さらにそのサイズを大きくしなければならず、ポンプの入口において流体は、より短い軸方向距離を通って、より大きく広がる角度で、インペラの入口に流れることになる。これらの制限を考慮すると、低い流動抵抗という特性を持つ金属ポンプは得られないかもしれず、インペラの設計はさらに遥かに難しい。
フルオロポリマ製インペラのもう１つの問題は、インペラの重量が大きく低減されると、回転子とインペラとで形成される回転子系の重心が、磁気回転子側すなわちインペラの後端部に移動するが、軸ハブ部品の内部空間にセラミック軸受が設けられており、つまり、セラミック軸受の長さおよび位置が回転子系の重心と適合せず、このため、回転子系の重量によってセラミック軸受にかかる大きなモーメントが生じることがあり、ポンプの寿命が保証されないことになり得る。
【０００８】
事例６：
特許文献６：磁気駆動式液圧調整遠心ポンプ，２００１年。
この発明は、磁気駆動ポンプの軸スラスト調整の問題について記載している。発明の図面には、固定軸の直径が固定であって、三角フロントサポートが入口の内部空間に組み付けられる場合に、三角フロントサポートの前部軸座の余分の外径がインペラの流入路に影響して、ポンプの性能を低下させることが明確に示されている。従って、インペラの入口の流動抵抗を抑えるためには、ポンプの流入路の内径を大きくする必要がある。
【０００９】
事例７：
特許文献７：磁気駆動ポンプのリアケーシング構造，２００７年。
この発明は、両持ちの固定軸、または回転軸を有する磁気駆動ポンプを開示している。この発明は、磁気駆動ポンプの格納シェルの強度は、さらなる関心を持つべき問題であることを示している。外側回転子と内側回転子の隙間は狭く制限され、また、耐腐食性に優れたプラスチック材料は、通常、熱可塑性であって、このため、プラスチック材料の強度は温度の上昇に伴って低下する。
従来技術では、格納シェルの耐腐食層の外面上に、第２の強化層が設けられている。この特許では、非金属の帯状円形補強部材が、側方円筒部分にある２層構造の間または２層構造の外面上に設けられており、これにより、格納シェルの側方柱状胴部の強度を向上させている。この方法は、繊維ストライプを外周に巻回して複数の層にすることを可能にする従来の方法よりも優れている。しかし、この方法は、格納シェルの後部軸座にかかる径方向の力に起因する柱状胴部の曲げ変形を効果的に解消できない場合があり、また、この発明は、固定軸の支持が、格納シェルの柱状胴部の強度による影響を受けることを、さらに間接的に認めている。
【００１０】
事例８：  
特許文献８：磁気駆動式遠心ポンプの格納部材，２００１年。
この特許は、耐腐食ケーシング・ライナを有する金属磁気駆動ポンプに適用されるものであり、磁気駆動ポンプのプラスチック三角フロントサポートの強度、および磁気駆動ポンプの格納シェルの強度は、両方とも、さらなる関心を持つ必要があることを、明確に示している。三角フロントサポートがインペラの流入路に影響することで、ポンプの性能が低減することがよくある。格納シェルの強度は、流体圧力に耐えるためだけのものではなく、固定軸の支持も提供する。
この発明では、格納シェルの底側の内層と外層の構造の間に円盤状の金属補強部材が組み込まれており、片持ち固定軸にかかる径方向の力を格納シェルの柱状胴部に均等に伝達することができ、さらには、格納シェルの強度によって固定軸を片持ち式で支持することができるように、補強部材は、固定軸の取扱いと支持を向上させるための、小さい直径を有して軸方向内向きに延出する延出部を有している。このような、三角フロントサポートを持たない片持ち固定軸は、より低いＮＰＳＨｒ要件を満たすための助けとなり、また、十分な強度を有している。しかしながら、この発明は、補強した後の、固定軸の位置ずれを防ぐための、格納シェルの側方柱状胴部の強度について明確に記載していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７０３３１４６号
【特許文献２】米国特許第７０５７３２０号
【特許文献３】中国実用新案第２４８２５９７号
【特許文献４】米国特許第５８９５２０３号
【特許文献５】米国特許第６２８０１５６号
【特許文献６】米国特許第７１０１１５８号
【特許文献７】米国特許第７２４９９３９号
【特許文献８】米国特許第６２９３７７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
要約すると、フルオロポリマのみで構成されたポンプ部品またはフルオロポリマ製ライナを備えた部品を有する磁気駆動ポンプについての、構造および固定軸の強度の課題は、つぎのように表される。
１．フルオロポリマ材料の強度の弱さ。
２．固定軸の支持構造の剛性要件。
３．流入路の流動抵抗の問題。
４．インペラの流入路の必要有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨｒ）の問題。
５．柱状胴部と底部とを有する格納シェルの強度の問題。
【００１３】
ところが、上記特許のソリューションの各々は、高剛性の固定軸によって２００℃の高温で流体を輸送できるという要件を満たさない可能性がある。上記課題を解決するため、本発明では磁気駆動ポンプを開示している。以下は、本発明の詳細な説明である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、磁気駆動ポンプに関し、より具体的には、前端と後端で支持された固定軸の強化構造に関する。磁気駆動ポンプの構成部品は、通常、フルオロポリマで構成されたケーシング・ライナまたは樹脂エンクロージャで覆われている。いわゆるフルオロポリマは、高い伸展性および高い圧縮性など、構成部品のいくつかの機械的特性を継承する、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、エチレン・テトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）とすることができる。
これらの構成部品には、ポンプ・ケーシング、インペラ、および格納シェルが含まれる。フルオロポリマの融点は３００℃を超えているが、フルオロポリマの強度は、温度の上昇とともに徐々に低下する。そこで、本発明は、ポンプが２００℃までの温度で高い信頼性で作動することができるように、鋳鉄またはステンレス鋼で構成されたポンプ・ケーシングの構造強度を利用して、フルオロポリマ部品の強度要件を補っている。
高剛性の入口フロントサポートは、固定軸のための十分な支持剛性を提供するものである。固定軸の支持要件を満たすため、固定軸の高い剛性の支持が得られるように、また、フロントサポートによって生じる流入路の流動抵抗を大きく低減するように、フロントサポートと、入口、ボリュート、およびインペラの流路とが一体的に設計されている。ポンプの格納シェルは、リークのない密封、温度耐性、および圧力耐性に適応しており、固定軸の端部の補助的支持を提供している。
【００１５】
フロントサポートは、鋳鉄またはステンレス鋼で構成された２つのリブプレートを有し、ポンプ・ケーシングの内側に向かって軸方向に延出している。リブプレートは、ポンプ・ケーシングの入口の内面から内向きに延出して、内径の中心で１つに結合しており、結合により２つのリブプレートは互いに垂直になって直角構造をなしている。以下の段落では、フロントサポートはすべて、直角構造の特徴を有している。
２つのリブプレートが結合するところに、円錐体が形成されており、この円錐体の中心は、内径の中心に対応している。円錐体は、ポンプ・ケーシングの後側に向かって内向きに延出している。フロントサポートの後端に、前部軸座が配置されている。リブプレートは、円錐体の軸方向の長さに沿って軸方向に延びて、リブプレートの幅は、前部軸座の外径と一致するように徐々に減少しており、また、前部軸座はハブ開口部を通って、前部軸座の円弧は、ハブプレートとともに滑らかな曲面を形成している。フロントサポートの外側は、フルオロポリマで完全にカプセル化されて、ポンプ・ケーシングのケーシング・ライナと一体化されている。
【００１６】
ボリュートは前側渦構造を有し、これにより、インペラ出力の流心線が、ポンプの出口の中心の内側に位置するようにしている。このため、ポンプ入口からインペラの入口までの流動距離が十分に長く、これによって、インペラの入口でフロントサポートにより生じる流動障害が大きく低減される。
【００１７】
インペラ流路の構造の設計によって、シュラウド面はハブプレートに向かって小さな傾斜角を有して固定軸と直交し、ハブプレートはシュラウド面に向かって傾斜角を有して固定軸と直交しており、固定軸の近くでのハブプレートの幾何学的形状は、前部軸座の曲面と調和する凹型設計であって、これにより、インペラの羽根前縁の流入路に十分な流動空間があるようにしている。
【００１８】
固定軸は、直径が完全に均一なセラミック柱で構成されている。固定軸の前端は、フロントサポートの前部軸座によって支持されており、固定軸の後端は、格納シェルの後部軸座によって支持されている。ポンプが高出力かつ高温度で作動する場合は、複合固定軸が好ましい。高剛性の複合固定軸は、金属軸とセラミック軸スリーブとが一緒になって構成されている。金属軸は、フロントサポートの金属製の前部軸座に直接固定されて、セラミック軸スリーブに対して高い圧力で強く押し付けられ、これにより、高剛性の複合固定軸を形成している。複合固定軸の後端は、格納シェルの後部軸座によって支持されている。
【００１９】
格納シェルは、フルオロポリマ製ケーシング・ライナ（すなわち内層）と繊維強化層（すなわち外層）とを含む、カップ状２層シェル構造であって、一緒に円筒形のカップ状片持ち構造を形成している。格納シェルの前端でバックアップ・プレートによって補強されたシェルフランジが、ポンプ・ケーシングとブラケットとの間に固定されている。
ゼロリークを保証するため、貫通孔を持たない後部軸座が、格納シェルの底側に配置されている。シェルフランジは、ポンプ・ケーシングのフランジとブラケットのポンプ側フランジとに接続されており、これによって、腐食性流体のリークを防いでいる。後部軸座の２層の間には、高温でのフルオロポリマの変形を防ぐための金属カラーが設けられており、このようにして、金属カラーは、固定軸とリア・スラストリングのための安定した支持を提供している。格納シェルの片持ち構造によって、固定軸の支持剛性を提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により得られる効果について、以下で説明する。
１．フルオロポリマの融解温度は３００℃を超えているが、フルオロポリマの強度は、２００℃の温度を超えると大きく低減する。鋳鉄またはステンレス鋼で構成されたポンプ・ケーシングの構造強度はフルオロポリマ部品とは独立しており、このためポンプは、２００℃の温度まで、高い信頼性で作動することができる。
２．フロントサポートの構造はポンプ・ケーシングと一体化され、また、フロントサポートは、腐食性流体を隔離するためのフルオロポリマで覆われており、これによって、固定軸の支持剛性の大部分はフロントサポートにより提供され、補助的支持剛性は格納シェルの後部軸座により提供される。
３．ポンプ・ケーシングの金属構造は、フロントサポートと一体化されて、その軸方向の長さで延出しており、これによりフロントサポートの前部軸座はハブ開口部に向かって延出して、フロントサポートによる入口の流動抵抗を抑えている。
４．流路構造およびインペラの流入路を改良するため、インペラの入口での流速を低減し、ＮＰＳＨｒを低減するように、流入路の断面積を増加させている。フロントサポートにより生じる流動障害を抑制するように、フロントサポートの断面積を流線に適合させている。
５．格納シェルは、リークを防ぐための密封、高い温度耐性、および圧力耐性にのみ適応したものである。格納シェルの構造は、フルオロポリマで構成された内層構造と、外層強化構造とを含んでいる。内層はカップ状フルオロポリマ構造であって、貫通孔を持たない後部軸座が、内層の円盤状底部側の中心に配置されて、外向きに突出および延出している。外層は、高温でのフルオロポリマの変形を抑えるための、また、流体圧力による変形を抑制し、流れからの衝撃を受けるための、熱硬化性樹脂繊維強化構造になっている。
【００２１】
本発明の構造によると、磁気駆動ポンプは、いかなる出力範囲でも２００℃まで信頼性をもって作動することが可能であり、また、本発明の構造は、単純固定軸構造にも複合軸構造にも適している。
【００２２】
本開示は、本明細書において単に説明を目的として以下で提示する、よって本開示を限定するものではない、詳細な説明によって、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】第１の実施形態による両持ち固定軸の断面図である。
【図１Ｂ】第２の実施形態による両持ち複合固定軸の断面図である。
【図２Ａ】第１の実施形態によるポンプ入口の正面図である。
【図２Ｂ】第２の実施形態によるポンプ入口の正面図である。
【図３】第１の実施形態によるポンプ・ケーシングの背面斜視図である。
【図４Ａ】第１の実施形態によるポンプ入口の断面図である。
【図４Ｂ】第２の実施形態によるポンプ入口の断面図である。
【図５】第１の実施形態による格納シェルの断面図である。
【図６】第１の実施形態により力とモーメントを受ける、格納シェルの断面図である。
【図７】第２の実施形態により力とモーメントを受ける、複合格納シェルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
第１の実施形態：両持ち固定軸構造を有する磁気駆動ポンプ（図１Ａ）
図１Ａ、３、４Ａ、５、６を参照すると、図１Ａは、第１の実施形態による両持ち固定軸の断面図であり、図３は、第１の実施形態によるポンプ・ケーシングの背面斜視図であり、図４Ａは、第１の実施形態によるポンプ入口の断面図であり、図５は、第１実施形態による格納シェルの断面図であり、図６は、第１の実施形態により力とモーメントを受ける格納シェルの断面図である。本発明の磁気駆動ポンプは、両持ち固定軸構造を有するものである。磁気駆動ポンプは、ポンプ・ケーシング４と、フロントサポート４３と、インペラ５と、格納シェル４１と、内側回転子７と、外側回転子９２と、固定軸３と、ブラケット９１と、を備えている。
【００２５】
鋳鉄またはステンレス鋼で構成されたポンプ・ケーシング４は、ポンプ入口４４と、出口４５と、ボリュート４７と、を有している。ポンプ・ケーシング４は、内部にインペラ５を収容するように構成されている。ポンプ入口４４には、フロント・スラストリング４６が設けられており、これは、ポンプ・ケーシング４の内部にあって、インペラ５の入口でスラスト軸受５３と対になって一緒に軸スラスト軸受を形成している。
ポンプ・ケーシング４の内部で流体接触側にはケーシング・ライナ４ａが配置されており、このケーシング・ライナ４ａは、腐食性流体を隔離するように構成されている。ポンプ入口４４には、一体化されたフロントサポート４３が配置されている。ポンプ・ケーシング４の後端に（図３に示すように）設けられたケーシング・バックフランジ４２は、格納シェル４１のシェルフランジ部４１１とバックアップ・プレート４１１ａを組み付けるように構成されており、ブラケット９１のブラケット・フロントフランジ９１１と結合して、これにより腐食性流体のリークを防ぐようにしている。
【００２６】
フロントサポート４３は、鋳鉄またはステンレス鋼で構成された２つのリブプレート４３１を有して、ポンプ・ケーシング４の内側に向かって軸方向に延出している。リブプレート４３１は、ポンプ・ケーシング４の入口４４の内面から内向きに延出して、内径の中心で１つに結合しており、結合により２つのリブプレート４３１は互いに垂直になって１つの構造部品をなしている。２つのリブプレート４３１が結合しているところには、円錐体４３２が形成されており、この円錐体４３２の中心は内径の中心に対応している。円錐体４３２は、ポンプ・ケーシング４の後側に向かって内向きに延出している。
フロントサポート４３の後端には、固定軸３の一端を支持するための前部軸座４３３が配置されている。リブプレート４３１は、円錐体４３２の軸方向の長さに沿って軸方向に延びて、リブプレート４３１の幅は、前部軸座４３３の外径と一致するように徐々に減少しており、また、前部軸座４３３はハブ開口部５４を通って、前部軸座４３３の円弧は、ハブプレート５２とともに滑らかな曲面を形成している。フロントサポート４３の外面は、フルオロポリマによって完全にカプセル化されて、ケーシング・ライナ４ａと一体化されている。
【００２７】
フルオロポリマで構成されたインペラ５は、ポンプ・ケーシング４の中に組み付けられている。ハブ開口部５４は、ハブプレート５２の中心に位置している。フロントサポート４３は、ハブ開口部５４を軸方向に通って、固定軸３の一端を支持するように構成されている。ハブプレート５２の後端は、内側回転子７の軸方向延出部７６と結合するように構成されており、これによって、インペラ５と内側回転子７は一体化されるか、または１つに結合されている。一部の実施形態では、（図６に示すように）板状のインペラ強化プレート５６が、ハブプレート５２に設けられて、軸動力を輸送流体に伝達するように構成されている。また、インペラ強化プレート５６と内側回転子７の内側回転子継鉄７２は、一体化されるか、または１つに結合されることが可能である。
【００２８】
格納シェル４１は、フルオロポリマで構成された格納シェルライナ４１ａと、強化層４１ｂと、を含む２層シェル構造である。格納シェル４１からのリークがないことを確実にするため、貫通孔を持たない後部軸座４１３が、格納シェル４１の底側に配置されている。格納シェル４１の前端に設けられているシェルフランジ部４１１のバックアップ・プレート４１１ａは、（図３を一緒に参照して）ポンプ・ケーシング４のケーシング・バックフランジ４２およびブラケット９１のブラケット・フロントフランジ９１１と１つに接続されるように構成されており、一緒になって腐食性流体のリークを防ぐように、円筒形のカップ状片持ち構造を形成している。
バックアップ・プレート４１１ａは、シェルフランジ部４１１の強度を確保し、その前端を固定するように構成されている。格納シェル４１の横方向外側にある（図５に示すような）シェル柱状部４１２が、外側回転子９２の内部空間４１５を通っており、また、格納シェル４１の内部空間４１５は内側回転子７を収容するように構成されている。格納シェル４１は、内側回転子７と外側回転子９２を分離するように構成されており、格納シェル４１と内側回転子７との間には隙間があり、格納シェル４１と外側回転子９２との間には別の隙間があって、これにより、腐食性流体のリークにつながり得る格納シェル４１と内側回転子７または外側回転子９２との摩擦を、防いでいる。
格納シェル４１の底側の中心に配置されている後部軸座４１３は、外側回転子９２の内側で軸方向外向きに延出して、固定軸３の他端を支持するように構成されている。軸保持穴４１３ａの外側に設けられたリア・スラストリング４１４は、内側回転子７のセラミック軸受７９と対になって一緒に軸スラスト軸受を形成するように構成されている。後部軸座４１３の軸保持穴４１３ａの外側で、２層構造の間に金属カラー４１７が設けられて、高温でのフルオロポリマ製格納シェルライナ４１ａの変形を抑えるように構成されており、このようにして、固定軸３およびリア・スラストリング４１４のための安定した支持を提供している。格納シェル４１は、固定軸３の補助的剛性支持を提供している。
【００２９】
内側回転子７は、複数の内側永久磁石７１と、内側回転子継鉄７２と、軸方向延出部７６と、を備える環状構造である。複数の内側永久磁石７１は、内側回転子継鉄７２の外側環状面に設けられている。耐腐食性エンジニアリングプラスチックで構成された回転子樹脂エンクロージャ７４によって、リークを防ぐように内側回転子７はカプセル化されている。セラミック軸受７９は、内側回転子７の中心穴に設けられている。内側回転子７の軸方向延出部７６は、ハブプレート５２と結合するように構成されており、これによって、内側回転子７とインペラ５は、一体化されるか、または１つに結合されている。
【００３０】
外側回転子９２は、複数の外側永久磁石９３と、外側回転子継鉄９２ｂと、軸アダプタ９２ａと、を備える環状のカップ状構造である。軸アダプタ９２ａと駆動モータ軸９５は、相互に固定される。複数の外側永久磁石９３は、外側回転子継鉄９２ｂの内側環状面に設けられている。駆動モータ軸９５は、外側回転子９２を回転させる。
格納シェル４１は、内側永久磁石７１を備える内側回転子７と外側永久磁石９３を備える外側回転子９２との間に設けられ、また、外側回転子９２は、内側回転子７の外側の対応した位置に設けられ、外側と内側の双方の磁石は放射状に対向配置されて、互いに磁気的に引き付けられている。外側回転子９２が回転すると、外側永久磁石９３が内側永久磁石７１を引き付けることで、内側回転子７を回転させる。
【００３１】
固定軸３は、耐腐食性かつ耐摩耗性のセラミック材料で構成された両持ち構造である。固定軸３の前端は、ポンプ・ケーシング４のフロントサポート４３によって支持されており、固定軸３の後端は、格納シェル４１の後部軸座４１３によって支持および固定されている。
固定軸３の中央部分は、回転する内側回転子７のセラミック軸受７９とかみ合っている。中央部分の長さは、内側回転子７にかかる合力を支えるため、セラミック軸受７９の長さに対応しており、また、内側回転子７の軸方向の自由運動空間が確保されている。フロントサポート４３のリブプレート４３１および前部軸座４３３は、固定軸３の高剛性支持及び保持長さＬを提供し、これにより、温度が上昇するとプラスチックの強度が低下するという問題を解決している。
【００３２】
ブラケット９１は、両側にフランジを備えた柱状構造である。一方のフランジは、モータ（図示せず）の別のフランジと固定されるように構成されており、ブラケット・フロントフランジ９１１は、格納シェル４１のシェルフランジ部４１１のバックアップ・プレート４１１ａと、ポンプ・ケーシング４の後端に設けられたケーシング・バックフランジ４２とに接続されるように構成されており、これによって腐食性流体のリークを防いでいる。シェルフランジ部４１１のバックアップ・プレート４１１ａは、剛性強度と固定を確保するように構成されている。
【００３３】
ポンプが作動しているときには、流体が流線６に沿ってポンプ入口４４に入り、流入流線６１に沿ってインペラ５の入口に流れる。インペラ５の流路を（インペラ出口流線６２に沿って）通過した後の流体は加圧されており、その後、出口４５を通って流出される。同時に、流体の一部分は、折り返し流線６３に沿って、インペラ５の後端部を通って格納シェル４１の内部空間４１５に入り、つぎに、内側回転子７の外側と格納シェル４１の内径空間との間の隙間を通って、潤滑流線６４に沿って格納シェル４１の底側に流れる。その後、流体は、固定軸３とセラミック軸受７９との間の隙間を通り、続いて終端潤滑流線６５に沿ってハブ開口部５４を通って流れ、再びインペラ５の入口に戻る。このような流体の循環的な流れは、セラミック軸受７９の潤滑を提供するとともに、潤滑によって発生する熱を放散させるようになっている。
【００３４】
第２の実施形態：高出力かつ高温で適用される両持ち複合固定軸を有する磁気駆動ポンプ（図１Ｂ）
図１Ｂ、４Ｂ、７を参照すると、図１Ｂは、第２の実施形態による両持ち複合固定軸の断面図であり、図４Ｂは、第２の実施形態によるポンプ入口の断面図であり、図７は、第２の実施形態により力とモーメントを受ける複合格納シェルの断面図である。本発明の磁気駆動ポンプは、両持ち複合固定軸を有するものである。磁気駆動ポンプは、ポンプ・ケーシング４と、フロントサポート４３と、インペラ５と、格納シェル４１と、内側回転子７と、外側回転子９２と、複合固定軸３ａと、ブラケット９１と、を備えている。
【００３５】
鋳鉄またはステンレス鋼で構成されたポンプ・ケーシング４は、ポンプ入口４４と、出口４５と、ボリュート４７と、を有している。ポンプ・ケーシング４は、内部にインペラ５を収容するように構成されている。ポンプ入口４４には、フロント・スラストリング４６が設けられており、これは、ポンプ・ケーシング４の内部にあって、インペラ５の入口でスラスト軸受５３と対になって一緒に軸スラスト軸受を形成している。
ポンプ・ケーシング４の内部で流体接触側にはケーシング・ライナ４ａが配置されており、このケーシング・ライナ４ａは、腐食性流体を隔離するように構成されている。ポンプ入口４４には、一体化されたフロントサポート４３が配置されている。ポンプ・ケーシング４の後端に（図３に示すように）設けられたケーシング・バックフランジ４２は、格納シェル４１のシェルフランジ部４１１とバックアップ・プレート４１１ａを組み付けるように構成されており、ブラケット９１のブラケット・フロントフランジ９１１と結合して、これにより腐食性流体のリークを防ぐようにしている。
【００３６】
フロントサポート４３は、鋳鉄またはステンレス鋼で構成された２つのリブプレート４３１を有して、ポンプ・ケーシング４の内側に向かって軸方向に延出している。リブプレート４３１は、ポンプ・ケーシング４の入口４４の内面から内向きに延出して、内径の中心で１つに結合しており、結合により２つのリブプレート４３１は互いに垂直になって１つの構造部品をなしている。２つのリブプレート４３１が結合しているところには、円錐体４３２が形成されており、この円錐体４３２の中心は内径の中心に対応している。円錐体４３２は、ポンプ・ケーシング４の後側に向かって内向きに延出している。
フロントサポート４３の後端には、固定軸３ａの一端を支持するための前部軸座４３３が配置されている。リブプレート４３１は、円錐体４３２の軸方向の長さに沿って軸方向に延びて、リブプレート４３１の幅は、前部軸座４３３の外径と一致するように徐々に減少しており、また、前部軸座４３３はハブ開口部５４を通って、前部軸座４３３の円弧は、ハブプレート５２とともに滑らかな曲面を形成している。フロントサポート４３の外面は、フルオロポリマによって完全にカプセル化されて、ケーシング・ライナ４ａと一体化されている。
【００３７】
（図４Ｂに示す）軸保持部４３３ａは、内部でカプセル化されてはいない。軸保持穴４３３ａは、軸保持穴４３３ａの中心にネジ穴４３３ｂを有し、このネジ穴４３３ｂは、複合固定軸３ａの金属軸３２の端部にあるネジ部をしっかりと固定するように構成されている。軸保持穴４３３ａの内径は、金属軸３２の外径と遊合で合致している。前部軸座４３３の表面は、結合面４３５とシール面４３ｃである２つの環状面に分割されている。結合面４３５は、複合固定軸３ａの支持剛性を確保するように、セラミック軸スリーブ３３の表面に強く押し付けられるとともに付着されて、シール面４３ｃにおける樹脂エンクロージャ４３ａの適正な圧縮率を維持しており、これによって、腐食性流体のリークを防ぐことができる。
【００３８】
フルオロポリマで構成されたインペラ５は、ポンプ・ケーシング４の中に組み付けられている。ハブ開口部５４は、ハブプレート５２の中心に位置している。フロントサポート４３は、ハブ開口部５４を軸方向に通って、複合固定軸３ａの一端を支持するように構成されている。ハブプレート５２の後端は、内側回転子７の軸方向延出部７６と結合するように構成されており、これによって、インペラ５と内側回転子７は一体化されるか、または１つに結合されている。
一部の実施形態では、（図６に示すように）板状のインペラ強化プレート５６が、ハブプレート５２に設けられて、軸動力を輸送流体に伝達するように構成されている。また、インペラ強化プレート５６と内側回転子７の内側回転子継鉄７２は、一体化されるか、または１つに結合されることが可能である。
【００３９】
格納シェル４１は、フルオロポリマで構成された格納シェルライナ４１ａと、強化層４１ｂと、を含む２層シェル構造である。格納シェル４１からのリークがないことを確実にするため、貫通孔を持たない後部軸座４１３が、格納シェル４１の底側に配置されている。格納シェル４１の前端に設けられているシェルフランジ部４１１のバックアップ・プレート４１１ａは、（図３を一緒に参照して）ポンプ・ケーシング４のケーシング・バックフランジ４２およびブラケット９１のブラケット・フロントフランジ９１１と１つに接続されるように構成されており、一緒になって腐食性流体のリークを防ぐように、円筒形のカップ状片持ち構造を形成している。バックアップ・プレート４１１ａは、シェルフランジ部４１１の強度を確保し、その前端を固定するように構成されている。格納シェル４１の横方向外側にある（図５に示すような）シェル柱状部４１２が、外側回転子９２の内部空間４１５を通っており、また、格納シェル４１の内部空間４１５は内側回転子７を収容するように構成されている。
格納シェル４１は、内側回転子７と外側回転子９２を分離するように構成されており、格納シェル４１と内側回転子７との間には隙間があり、格納シェル４１と外側回転子９２との間には別の隙間があって、これにより、腐食性流体のリークにつながり得る格納シェル４１と内側回転子７または外側回転子９２との摩擦を、防いでいる。格納シェル４１の底側の中心に配置されている後部軸座４１３は、外側回転子９２の内側で軸方向外向きに延出して、複合固定軸３ａの他端を支持するように構成されている。
軸保持穴４１３ａの外側に設けられたリア・スラストリング４１４は、内側回転子７のセラミック軸受７９と対になって一緒に軸スラスト軸受を形成するように構成されている。後部軸座４１３の軸保持穴４１３ａの外側で、２層構造の間に金属カラー４１７が設けられて、高温でのフルオロポリマ製格納シェルライナ４１ａの変形を抑えるように構成されており、このようにして、複合固定軸３ａおよびリア・スラストリング４１４のための安定した支持を提供している。格納シェル４１は、複合固定軸３ａの補助的剛性支持を提供している。
【００４０】
内側回転子７は、複数の内側永久磁石７１と、内側回転子継鉄７２と、軸方向延出部７６と、を備える環状構造である。複数の内側永久磁石７１は、内側回転子継鉄７２の外側環状面に設けられている。耐腐食性エンジニアリングプラスチックで構成された回転子樹脂エンクロージャ７４によって、リークを防ぐように内側回転子７はカプセル化されている。セラミック軸受７９は、内側回転子７の中心穴に設けられている。内側回転子７の軸方向延出部７６は、ハブプレート５２と結合するように構成されており、これによって、内側回転子７とインペラ５は、一体化されるか、または１つに結合されている。
【００４１】
外側回転子９２は、複数の外側永久磁石９３と、外側回転子継鉄９２ｂと、軸アダプタ９２ａと、を備える環状のカップ状構造である。軸アダプタ９２ａと駆動モータ軸９５は、相互に固定される。複数の外側永久磁石９３は、外側回転子継鉄９２ｂの内側環状面に設けられている。駆動モータ軸９５は、外側回転子９２を回転させる。格納シェル４１は、内側永久磁石７１を備える内側回転子７と外側永久磁石９３を備える外側回転子９２との間に設けられ、また、外側回転子９２は、内側回転子７の外側の対応した位置に設けられ、外側と内側の双方の磁石は放射状に対向配置されて、互いに磁気的に引き付けられている。外側回転子９２が回転すると、外側永久磁石９３が内側永久磁石７１を引き付けることで、内側回転子７を回転させる。
【００４２】
複合固定軸３ａは、両持ち構造である。複合固定軸３ａの前端は、ポンプ・ケーシング４のフロントサポート４３によって支持されており、複合固定軸３ａの後端は、格納シェル４１の後部軸座４１３によって支持されている。複合固定軸３ａの中央部分は、回転する内側回転子７のセラミック軸受７９とかみ合っている。中央部分の長さは、内側回転子７にかかる合力に耐えるため、セラミック軸受７９の長さに対応しており、また、内側回転子７の軸方向の自由運動空間が確保されている。金属フロントサポート４３のリブプレート４３１および前部軸座４３３は、複合固定軸３ａの高剛性支持を提供し、これにより、温度が上昇するとプラスチックの強度が低下するという問題を解決している。
【００４３】
複合固定軸３ａは、セラミック軸スリーブ３３と、金属軸３２と、封止ナット３２３と、を備えている。金属軸３２は、その両端にネジ部を有し、セラミック軸スリーブ３３のスリーブ中心穴３３２を通っている。金属軸３２のネジ部の一端は、フロントサポート４３の前部軸座４３３の中心に位置するネジ穴４３３ｂと固定され、ネジ部の他端は、結合ナット３２１を利用して（図７を参照）、セラミック軸スリーブ３３の後面に押し付けられる。
【００４４】
セラミック軸スリーブ３３の前面は、フロントサポート４３の前部軸座４３３上に位置する結合面４３５とシール面４３ｃに対して、強く押し付けられる。セラミック軸スリーブ３３の後面は、複合固定軸３ａの支持剛性を確保するように、結合ナット３２１によって強く圧迫されて、シール面４３ｃにおける樹脂エンクロージャ４３ａの適正な圧縮率を維持しており、これによって、腐食性流体のリークを防ぐことができる。
封止ナット３２３は、（図７を一緒に参照して）樹脂エンクロージャ３２２で覆われたカップ状の円筒形金属部品である。封止ナット３２３のネジ穴は、カプセル化されてはいない。封止ナット３２３は、複合固定軸３ａを完全に密封するように、金属軸３２の後端にしっかりと固定される。封止ナット３２３の開口面は、セラミック軸スリーブ３３の後面に強く押し付けられて、封止するように構成されており、これにより、耐腐食の複合固定軸３ａが形成される。封止ナット３２３の円筒形の外径面は、格納シェル４１の後部軸座４１３によって支持されることが可能である。
【００４５】
ブラケット９１は、両側にフランジを備えた柱状構造である。一方のフランジは、モータ（図示せず）の別のフランジと固定されるように構成されており、ブラケット・フロントフランジ９１１は、格納シェル４１のシェルフランジ部４１１のバックアップ・プレート４１１ａと、ポンプ・ケーシング４の後端に設けられたケーシング・バックフランジ４２とに接続されるように構成されており、これによって腐食性流体のリークを防いでいる。シェルフランジ部４１１のバックアップ・プレート４１１ａは、剛性強度と固定を確保するように構成されている。
【００４６】
ポンプが作動しているときには、流体が流線６に沿ってポンプ入口４４に入り、流入流線６１に沿ってインペラ５の入口に流れる。インペラ５の流路を（インペラ出口流線６２に沿って）通過した後の流体は加圧されており、その後、出口４５を通って流出される。同時に、流体の一部分は、折り返し流線６３に沿って、インペラ５の後端部を通って格納シェル４１の内部空間４１５に入り、つぎに、内側回転子７の外側と格納シェル４１の内径空間との間の隙間を通って、潤滑流線６４に沿って格納シェル４１の底側に流れる。その後、流体は、固定軸３とセラミック軸受７９との間の隙間を通り、続いて終端潤滑流線６５に沿ってハブ開口部５４を通って流れ、再びインペラ５の入口に戻る。このような流体の循環的な流れは、セラミック軸受７９の潤滑を提供するとともに、潤滑によって発生する熱を放散させるようになっている。
【００４７】
図２Ａおよび２Ｂを参照すると、図２Ａは、第１の実施形態によるポンプ入口４４の正面図であり、図２Ｂは、第２の実施形態によるポンプ入口４４の正面図である。フロントサポート４３は、ポンプ・ケーシング４の内側に向かって軸方向に延出する２つのリブプレート４３１を有し、結合により２つのリブプレート４３１は互いに垂直になって１つの構造部品をなしている。また、２つのリブプレート４３１が結合しているところには、円錐体４３２が形成され、この円錐体４３２の中心は、ポンプ入口４４の内径の中心に対応している。
フロントサポート４３の後端には、前部軸座４３３が配置されている。リブプレート４３１は、円錐体４３２の軸方向の長さに沿って軸方向に延びて、リブプレート４３１の幅は、前部軸座４３３の外径と一致するように徐々に減少している。フロントサポート４３の外側は、フルオロポリマによって完全にカプセル化されて、ポンプ・ケーシング４のケーシング・ライナ４ａと一体化されている。２つのリブプレート４３１が、１つに結合されることで、ハブ開口部５４を軸方向に通ってポンプ・ケーシング４と一体的に結合する片持ち構造が形成される。
【００４８】
リブプレート４３１と円錐体４３２の断面積に、樹脂エンクロージャ４３ａの厚さを加えたものが、流入路の断面積の阻害面積である。流入路の残りの断面積が、流動面積である。阻害面積が増加すると、それに応じて有効流動面積が減少する。流体の流速は流動面積に線形反比例し、流動抵抗は流速の二乗によく比例する。つまり、抵抗は、有効流動面積の増加の逆数に二乗比例する。以下の２つの実施形態は、特にポンプ入口４４の内径が増加しない場合について説明している。
図２Ａは、第１の実施形態における小口径かつ低出力の仕様を示しており、その阻害面積は、ポンプ入口４４の断面積のおよそ２８％未満である。例えば、ポンプ入口４４の入口直径は５０ｍｍである。図２Ｂは、第２の実施形態における大口径かつ高出力の仕様を示しており、その阻害面積は、ポンプ入口４４の断面積のおよそ１５％未満である。例えば、ポンプ入口４４の入口直径は１００ｍｍである。また、流動面積に対する阻害面積の比は、製造方法によっても異なる。
例えば、砂型鋳造により鋳鉄またはステンレス鋼で作られるリブプレート４３１の厚さは６ｍｍ程度であり、樹脂エンクロージャの各側が３ｍｍ以上であるので、リブプレートの全体の厚さは１２ｍｍ程度である。低出力でポンプ入口４４の口径が小さく、例えば５０ｍｍであるポンプに比べて、阻害面積が比較的大きくなる。従来の鋳鉄製の三角フロントサポートを使用し、ポンプ入口４４の直径が５０ｍｍである場合、樹脂エンクロージャで覆った後の流動面積に対する阻害面積の比は４０％を超えており、これは、流動抵抗を低減するためには好ましくない。これが、本発明において直角構造を導入している理由である。
【００４９】
図３を参照すると、これは、第１の実施形態におけるポンプ・ケーシング４およびフロントサポート４３を具体的に示している。ポンプ・ケーシング４は、ポンプ入口４４と、出口４５と、ボリュート４７と、を有している。ポンプ・ケーシング４は、（図１Ａを一緒に参照して）内部にインペラ５を収容するように構成されている。ケーシング・ライナ４ａが、ポンプ・ケーシング４の流体接触側に設けられて、腐食性流体を隔離するように構成されている。ポンプ入口４４には、一体化されたフロントサポート４３が設けられている。
ポンプ・ケーシング４の後端にあるケーシング・バックフランジ４２は、（図１Ａを一緒に参照して）ブラケット９１と、（図１Ａを一緒に参照して）格納シェル４１のバックアップ・プレート４１１ａとを１つに結合するように構成されており、これにより腐食性流体のリークを防いでいる。フロントサポート４３は、前部軸座４３３を備えた直角構造を有し、その軸保持穴４３３ａは、固定軸３の一端を支持するように構成されている（図１Ａを一緒に参照のこと）。軸保持穴４３３ａの内面には、固定軸３を取り付けるための、互いに平行で対向するペアの切断へりが形成されている。
【００５０】
図４Ａを参照すると、これは、第１の実施形態におけるフロントサポート４３、インペラ５、およびポンプ・ケーシング４を示している。インペラ５は、ポンプ・ケーシング４の中に組み付けられている（図１Ａを一緒に参照のこと）。フロントサポート４３は、ハブ開口部５４を軸方向に通ることができる。内側回転子７は、フルオロポリマで構成された樹脂エンクロージャ７４でカプセル化されている。内側回転子７の中心穴に、セラミック軸受７９が設けられている。ハブプレート５２は、内側回転子７の軸方向延出部７６に接続されるように構成されており、これによって、インペラ５と内側回転子７は一体化されるか、または１つに結合されている。
【００５１】
図１Ａを一緒に参照する。インペラ５を、ポンプ・ケーシング４に関して、軸方向に、ある距離シフトさせることで、インペラ５の流心線５１３がポンプ出口４５の中心線４５１の内側に位置するようにして、これにより、インペラ５の入口に入る前の流線６の入口流の距離を増加させている。
【００５２】
図４Ａを参照する。インペラ５は遠心型構造である。シュラウド面５１４は、ハブプレート５２に向かって小さな傾斜角を有して、固定軸３と直交しており、ハブプレート５２は、シュラウド面５１４に向かって傾斜角を有して、固定軸３と直交しており、また、固定軸３付近でのハブプレート５２の幾何学的形状は、前部軸座４３３の曲面と調和する凹型設計であって、これにより、インペラ５の羽根前縁の流入路に十分な流動空間があるようにしている。
そして、インペラ５の入口の羽根前縁５１１付近でのシュラウド曲面５１４ａは、適切な曲率半径を有している。ハブ凹面５１５ａは、フロントサポート４３の円錐体４３２の円錐曲面４３２ａに対応するハブ表面５１５の羽根前縁５１１の近くに位置するように設計されている。このようにして、流入流線６１は、フロントサポート４３により生じるインペラ５の入口の流動障害が抑制されるように、好ましい曲率半径を有している。
【００５３】
流線６と流入流線６１とによって、ポンプ入口４４からインペラ５の流心線５１３を通って流れる流体を、滑らかに保つことができる。ポンプ・ケーシング４のポンプ入口４４の内径円筒の内面４４ａ、シュラウド曲面５１４ａ、およびシュラウド面５１４は、一緒に滑らかな表面を形成している。円錐体４３２の前端の直径は、リブプレート４３１の厚さに等しくなっている。円錐体４３２は軸方向にインペラ５の入口まで延出して、円錐体４３２の直径は、円錐面によって、前部軸座４３３の外径と等しくなるまで増加しており、円錐体４３２の円錐曲面４３２ａとインペラ５のハブ表面５１５のハブ凹面５１５ａとによって、一緒に滑らかな曲面を形成している。
【００５４】
従って、流体は、流線６に沿って軸方向にポンプ入口４４に入った後に、流入流線６１と流心線５１３とによって、流れ方向が変わって径方向になる。このように流れる際に、ポンプ入口４４の内部空間では、リブプレート４３１の厚さのみが流路の阻害面積であり、内側円筒内面４４ａの内径を調整することによって、流路の断面積の滑らかな変化が得られる。
また、流路の大きな広がり角度は必要なく、さらには、流入流線６１の好ましい曲率半径が得られる。流れに影響を与える主な要因は、リブプレート４３１の厚さと、ノーズ４３４から円錐体４３２に軸方向に延びる流路の直径の変化である。つまり、ポンプ入口４４に入る流体が、流線６によって（破線で示す）リブプレート４３１の（破線で示す）プレート前縁４３１ａを通って流れた後に、流体の流速は増加し、最小限の障害が実現される。流線６の流動距離が長くなっているので、流体が（破線で示す）リブプレート４３１を通って流れた後に、流体は滑らかに流れるように調整されて、さらには、流動抵抗が低減される。
流体が、（破線で示す）リブプレート４３１の（破線で示す）プレート後縁４３１ｂから流れ出て、インペラ５の羽根前縁５１１に流入しようとしているときに、インペラ５の羽根前縁５１１と（破線で示す）リブプレート４３１の（破線で示す）プレート後縁４３１ｂとの間には流動空間があり、さらには流入流線６１が好ましい曲率半径を有しているので、流動障害が大きく低減し、そこでの低い流動抵抗が維持される。
【００５５】
ＮＰＳＨｒのより低い値は、より優れたアンチキャビテーション性能を表している。より低いＮＰＳＨｒの鍵となるのは、インペラ５の入口での流体の流速が、より低いことである。流体が羽根５１の羽根前縁５１１を通って流れるときに、ポンプが十分な断面積の流路を有することによって、流体は低い流速で流れることが可能である。羽根前縁５１１付近での流路の断面積が十分であることが、本発明における重要なポイントである。
【００５６】
図４Ｂを参照すると、これは、第２の実施形態におけるインペラ５および内側回転子７を示している。図４Ａで、流入路およびインペラ流路について既に詳細に説明しているので、以下では、本設計の利点について図４Ｂにより説明する。実際には、インペラ５の外径は、ポンプのヘッド出力の実際の要件に応じて、製造プロセスと適合するようにトリミングする必要があるが、フルオロポリマ製インペラ５の製造は費用がかかり、インペラ５の仕様の選択肢が少なすぎる場合がある。そこで、本発明のフロントサポート４３は、インペラ５を、最大外径Ｄ２よりも２０％大きくトリミングすることができるという利点を有している。
図４Ｂは、高出力要件に従ったポンプを示している。インペラ５の出口の外径Ｄ２に対するインペラ５の入口の口径Ｄ１の比は、低流量・高ヘッド・低出力のポンプを示す図４Ａのインペラ５の比よりも遥かに大きい。インペラ５の外径をトリミングすると、インペラ５の羽根５１の羽根後縁５１２の外径Ｄ２が削減される。つまり、インペラ５がトリミングされた後にはＤ１／Ｄ２比が増加し、Ｄ１／Ｄ２比が大きいほどポンプ効率は低くなるので、これが、トリミングされたインペラ５の作動条件が元の最適な設計から程遠いという理由である。
一方、フロントサポート４３が、従来の三角フロントサポートで置き換えられた場合は、ポンプ入口４４の内径が増加し、インペラ５の入口の口径Ｄ１も大きくなるので、インペラ５の入口の流速が低下することがあり、流動抵抗は低下するが、しかし、インペラ５がトリミングされると、Ｄ１／Ｄ２比が急激に増加して、インペラ５をトリミングすることにより可能な作動範囲は低減することになる。
【００５７】
図５を参照する。格納シェル４１は、フルオロポリマで構成された格納シェルライナ４１ａと、強化層４１ｂと、を含む２層シェル構造である。格納シェル４１からのリークがないことを確実にするため、貫通孔を持たない後部軸座４１３が、格納シェル４１の底側に配置されている。格納シェル４１の前端に設けられているシェルフランジ部４１１のバックアップ・プレート４１１ａは、（図３を一緒に参照して）ポンプ・ケーシング４のケーシング・バックフランジ４２およびブラケット９１のブラケット・フロントフランジ９１１と１つに接続されるように構成されており、一緒になって腐食性流体のリークを防ぐように、円筒形のカップ状片持ち構造を形成している。バックアップ・プレート４１１ａは、シェルフランジ部４１１の強度を確保し、その前端を固定するように構成されている。
【００５８】
格納シェル４１は片持ち構造であり、固定軸３が径方向の力を受ける際に、格納シェル４１はシェルフランジ部４１１によって完全に支持される。格納シェル４１の強度は、内部空間４１５からの流体圧力に耐える繊維強化層４１ｂからの支持に完全に依存しており、また、シェル柱状部４１２は圧力下において最大変形を示す。軸保持穴４１３ａの周囲には、格納シェル４１のフルオロポリマ製格納シェルライナ４１ａと強化層４１ｂとの間に金属カラー４１７が設けられて、環状スロット４１３ｂに挿入されている。このようにして、高温での格納シェル４１のフルオロポリマ製格納シェルライナ４１ａの変形が軽減され、また、（図１Ａを一緒に参照して）固定軸３とリア・スラストリング４１４の補助的支持が提供される。
【００５９】
図２Ａ、２Ｂ、６を参照する。本開示によれば、フロントサポート４３は、互いに垂直に結合された２つのリブプレート４３１によって構成される。従来の対称三角フロントサポートは、より優れた構造強度を持つが、その流路の断面積が本発明の要件に適合しない場合がある。本発明で開示している直角構造の流路の断面積は、図４Ａに示すように、要件を満たすことができ、直角構造の強度は、以下に説明するように、設計原理を満たすことができる。
【００６０】
前部軸座４３３が固定軸３から径方向の力Ｐおよびモーメントを受けると、その力とモーメントは、円錐体４３２を介してリブプレート４３１に伝達され、そしてポンプ・ケーシング４に伝達される。前部軸座４３３に作用する径方向の力Ｐは、異なる値を持つ互いに垂直な２つの成分に分けることができる。互いに垂直な２つのリブプレート４３１は、力の２つの成分を同時に、さらにはモーメントを、効果的に支えることができる。リブプレート４３１の構造強度の構成とは、リブプレート４３１が十分な厚さと幅ＢＬを有し、円錐曲面４３２ａの長さに等しいリブプレート４３１と前部軸座４３３の結合した長さが十分な長さであることである。
また、ポンプ・ケーシング４のポンプ入口４４の内側から軸方向に延出するリブプレート４３１は、十分なリブプレート軸方向幅ＲＬを有している。つまり、円錐曲面４３２ａは、流体が滑らかに流れることを可能にするだけではなく、さらには、力とモーメントを受けて伝達する。このように、本発明のフロントサポート４３によって、流動抵抗を低減し、必要な支持剛性を得ることができる。
【００６１】
図６を参照する。リブプレート４３１は、まず、ポンプ入口４４の内面から軸方向に延出し、ポンプ・ケーシング４のポンプ入口４４の内径の中心に向かって、内径の中心で１つに結合している。２つのリブプレート４３１が結合している位置で、円錐体４３２が、ポンプ入口４４の内側から軸方向に延出しており、この円錐体４３２の中心はポンプ入口４４の中心に対応している。
前部軸座４３３は、固定軸３の一端を支持するように構成されている。フルオロポリマは、良好な持続的圧縮能力によって、疲労破壊を生じることなく大きな圧迫を受けることができる。固定軸３は、前部軸座４３３に取り付けられると、適正な圧縮率と適切な保持長さＬとによって、径方向の力Ｐおよびモーメントを受ける。樹脂エンクロージャ４３ａの変形によって固定軸３の一次的変形および運動が生じるので、十分な圧縮と保持長さＬによって、力をフロントサポート４３に容易に伝達することが可能である。保持長さＬは、固定軸３の直径の少なくとも５０％である。
【００６２】
図６を参照する。固定軸３とその支持構造は、内側回転子重量Ｗ、偏心遠心力Ｘ、径方向の力Ｐ、およびそれらのモーメントを含む多様な負荷力に耐えるものでなければならない。内側回転子重量Ｗは、回転子の重量によって生じる力である。偏心遠心力Ｘは、セラミック軸受７９の隙間に起因するものである。径方向の力Ｐは、ポンプ・ケーシング４内のボリュート４７の不均一な流体圧力によってインペラ５に作用する力である。偏心遠心力Ｘおよび径方向の力Ｐの向きは、径方向で作動条件に応じて変わる。
【００６３】
図６を参照する。多様な力が固定軸３に作用すると、モーメントアームによってモーメントが発生する。前部軸座４３３の一次変形を例にとると、モーメントアームの基準位置は、前部軸座４３３に位置する基準線Ｂが前提となる。重量のモーメントは、内側回転子重量Ｗに重量アーム長ＷＬを掛けたものに等しい。偏心遠心力のモーメントは、偏心遠心力Ｘに偏心長ＸＬを掛けたものに等しい。径方向の力のモーメントは、径方向の力Ｐに径方向力アーム長ＰＬを掛けたものに等しい。上記の力とモーメントの和が、前部軸座４３３に作用する合成力および合成モーメントとなる。
セラミック軸受７９の隙間が大きくなる摩耗から生じる偏心遠心力Ｘは、固定軸３の負荷の主な変動源である。摩耗が進むほど、偏心遠心力Ｘは大きくなる。最長のモーメントアームは、セラミック軸受７９の中央から前部軸座４３３の中央までの偏心長ＸＬである。最短のモーメントアームは、径方向の力のアーム長ＰＬである。径方向の力Ｐは、内側回転子７の軸と固定軸３の軸との間に傾きを生じさせ、これは支持構造の連続的変形につながり、フロントサポート４３において変形が生じる。
【００６４】
リブプレート４３１の中央に位置する中心基準点として基準線Ａを前提とすると、前部軸座４３３の合成力は、内側回転子重量Ｗと、偏心遠心力Ｘと、径方向の力Ｐとが一緒になって作用するものであり、それらのモーメントはフロントサポート４３によって支えられる。モーメントの値は、前部軸座４３３の合成力にアーム長ＡＢを掛けたものに等しい。
【００６５】
図６を参照すると、（図１Ａを一緒に参照して）耐腐食性材料で構成された格納シェル４１の強度は温度が上昇すると低下し、変形は圧力の上昇によっても生じる。格納シェル４１の後部軸座４１３の中心基準点として基準線Ｃを前提とすると、後部軸座４１３には、合成力のより少ない部分が作用し、合成力は主として前部軸座４３３に作用する。基準線Ｂから基準線Ｃまでの距離であるアーム長ＢＣに、作用する力を掛けたものが、後部軸座４１３に作用するモーメントの値である。アーム長ＢＣはアーム長ＡＢよりも長く（すなわち、後部軸座４１３が受けるモーメントと力のほうが小さい）、従って、力とモーメントの大部分は固定軸３を介してフロントサポート４３により支えられる。
【００６６】
図７を参照すると、これは、第２の実施形態により力とモーメントを受ける複合格納シェル４１の断面図である。複合固定軸３ａの前端は、ポンプ・ケーシング４のフロントサポート４３によって支持され、複合固定軸３ａの後端は、格納シェル４１の（図１Ｂを一緒に参照して）後部軸座４１３によって支持される。
複合固定軸３ａは、セラミック軸スリーブ３３と、金属軸３２と、封止ナット３２３と、を備えている。金属軸３２は、セラミック軸スリーブ３３のスリーブ中心穴３３２を通っている。金属軸３２のネジ部の一端は、フロントサポート４３の前部軸座４３３の中心に位置するネジ穴４３３ｂと固定されている。ネジ部の他端は、結合ナット３２１を利用して、セラミック軸スリーブ３３の後面に押し付けられる。
このようにして、複合固定軸３ａが高剛性で形成されている。封止ナット３２３は、複合固定軸３ａを完全に密封するように、金属軸３２の後端にしっかりと固定される。封止ナット３２３の円筒形の外径は、格納シェル４１の後部軸座４１３によって支持される。
【００６７】
複合固定軸３ａの中央部分は、それによって回転する内側回転子７のセラミック軸受７９とかみ合っている。中央部分の長さはセラミック軸受７９の長さに対応しており、これによって、内側回転子７からの合力を支える。
【００６８】
金属フロントサポート４３のリブプレート４３１および前部軸座４３３は、複合固定軸３ａのための高剛性支持を提供し、これにより、温度が上昇するとプラスチック材料の強度が低下するという問題を解決している。
【００６９】
図７を参照する。径方向の力Ｐとモーメントが複合固定軸３ａに作用すると、その径方向の力Ｐとモーメントはフロントサポート４３にも同様に作用し、フロントサポート４３の変形および運動が発生する。
【００７０】
図７を参照する。複合固定軸３ａの中央部分は、内側回転子７のセラミック軸受７９とかみ合って、これにより、複合固定軸３ａは、それに沿った内側回転子７の回転を支持している。中央部分の長さは、セラミック軸受７９の長さに対応している。複合固定軸３ａとその支持構造は、内側回転子重量Ｗ、偏心遠心力Ｘ、径方向の力Ｐ、およびそれらのモーメントを含む多様な力に耐えるものである必要がある。
内側回転子重量Ｗは、回転子の重量によって生じる力である。偏心遠心力Ｘは、セラミック軸受７９の隙間に起因する回転子の重心の偏心遠心力である。径方向の力Ｐは、ポンプ・ケーシング４のボリュート４７の不均一な流体圧力によってインペラ５に作用する力である。
【００７１】
図７を参照する。多様な力は複合固定軸３ａに作用し、さらには、モーメントアームによってモーメントが発生する。モーメントアームの基準位置は、フロントサポート４３の基準線Ａが前提となる。
【００７２】
重量のモーメントは、内側回転子重量Ｗに重量アーム長ＷＬを掛けたものに等しい。偏心遠心力のモーメントは、偏心遠心力Ｘに偏心長ＸＬを掛けたものに等しい。径方向の力のモーメントは、径方向の力Ｐに径方向力アーム長ＰＬを掛けたものに等しい。上記の力とモーメントの和が、フロントサポート４３に作用する合成力および合成モーメントとなる。
セラミック軸受７９の隙間が大きくなる摩耗から生じる偏心遠心力Ｘは、複合固定軸３ａの負荷の主な変動源である。摩耗が進むほど、偏心遠心力Ｘは大きくなる。最長のモーメントアームは、セラミック軸受７９の中央からフロントサポート４３の中央までの偏心長ＸＬである。最短のモーメントアームは、径方向の力のアーム長ＰＬである。径方向の力Ｐは、内側回転子７の軸と複合固定軸３ａの軸との間に傾きを生じさせ、これはフロントサポート４３の連続的変形につながる。
【００７３】
（図１Ａを一緒に参照して）耐腐食性材料で構成された格納シェル４１の強度は温度が上昇すると低下し、変形は圧力の上昇によっても生じる。格納シェル４１の後部軸座４１３の中心基準点として基準線Ｃを前提とすると、後部軸座４１３には、合成力の極めて僅かな部分が作用し、合成力は主としてフロントサポート４３に作用する。格納シェル４１は、輸送液体の内部圧力に耐えるようにのみ設計されている。
【００７４】
本発明の典型的な実施形態についての上記説明は、単に例示および説明を目的として提示したものであって、網羅的なものではなく、または開示した厳密な形態に本発明を限定するものではない。上記教示に照らして、様々な変形および変更が可能である。
【００７５】
実施形態は、本発明の原理およびその実際の適用について説明するために選択され、記載されたものであり、これによって、他の当業者が、本発明および様々な実施形態を、予定される特定の用途に合わせた様々な変更を加えて、利用することを促している。本発明が属する技術分野に精通した者には、その趣旨および範囲から逸脱することなく、他の実施形態が明らかになるであろう。従って、本発明の範囲は、上記説明およびそこで記載した例示的実施形態によってではなく、添付の請求項によって規定される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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