(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラと、インペラが液体を吐出する吐出口と、インペラが液体を吸い込む吸込口とを有し、対向するインペラ室と、
一方側に配置された前記インペラ室の前記吐出口と他方側に配置された前記インペラ室の前記吸込口を連結する主流路と、
前記インペラを連結する回転軸と、
前記インペラの間に配置され、前記回転軸を回転可能に支持し、前記回転軸とはすきまのある、対向した軸受けと、
前記回転軸にはまりあい前記軸受けの間に配置されたロータと、前記ロータを囲み前記ロータとすきまがあるステータとを有するロータ部と
を備えたキャンドモータポンプであって、
前記他方側の前記インペラ室に吸込まれた液体の一部は、前記回転軸と前記他方側の前記軸受けのすきまから、前記ロータと前記ステータのすきま、および前記回転軸と前記一方側の前記軸受けのすきまを通って、前記一方側の前記インペラ室に流れ込み、かつ、
前記液体の一部の流路の出口には、絞り機構が設けられていることを特徴とするキャンドモータポンプ。
【請求項２】
前記絞り機構は、
前記一方側の前記インペラが前記一方側へ動いた場合は、流路をより狭め、
前記一方側の前記インペラが前記他方側へ動いた場合は、前記流路をより広げる、
ことを特徴とする請求項１に記載のキャンドモータポンプ。
【請求項３】
前記絞り機構は、
前記一方側の前記インペラと前記一方側の前記軸受けとの間に配置され、前記回転軸にはめあわされているリング部材と、
前記一方側の前記インペラと前記リング部材との間にせり出すせり出し部材と、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載のキャンドモータポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧の高い液であってもキャンドモータ室内で沸騰せずに液体のまま運転できるモータ付きポンプに関し、特に加圧サーキュレーション型のスラストの増加を抑制したキャンドモータポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図6に示すように、従来のキャンドモータポンプ１においては、一段目の低圧側ポンプ６０をキャンドモータポンプ１の一方の端に配置し、二段目の高圧側ポンプ７０をキャンドモータの反対側の端に配置している。また、キャンドモータポンプ１の取り扱う液には蒸気圧が高いものがあるため、液に蒸気圧を上回る高い圧力をかけて沸騰を防ぐ必要がある。そこで、加圧サーキュレーション型のキャンドモータポンプ１はロータ部９０における取り扱い液の圧力を保つようにし、高圧側の液の一部をベアリング８０，８２の潤滑とモータ冷却のためキャンドモータのロータ部９０に導き、さらにその液を低圧側に戻すようにしている。
【０００３】
この場合、二段目（高圧側）の軸端に一段目（低圧側）の圧力が作用し一段目の方向に軸スラストが発生する。さらに、キャンドモータのロータ部９０の狭い隙間をかなりの量の液が流れるため、ロータ部９０での前後差圧によりロータ部９０でやはり一段目の方向に軸スラストＴが発生する。
【０００４】
近年、さらに装置が小型化したり、環境問題で別のプロセス液を使用したりし、このような分野においてさらに小流量で高揚程のポンプが望まれるようになっている。このような場合、揚程は一段当たり数百メートルを超えるようになり、一段目と二段目の差圧が更に大きくなっている。この差圧がキャンドモータ部のロータ部９０を流れる内部サーキュレーション量を決めるため、一段目に向かう軸スラスト力がさらに増加する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この軸スラスト力の増加を抑制するため一段目インペラにバランスホールを開けることがある。しかし、バランスホールが低圧側の一段目インペラの吸込側とロータ部９０とのバイパス流路となることとなる。よって、ロータ部９０の圧力低下を招く。本来加圧サーキュレーションでロータ部９０の圧力を保たねばならないが、軸スラストのアンバランスを避けるため、本来の目的であるロータ部９０の圧力をある程度犠牲にせざるをえない。よって、キャンドモータポンプの取り扱い液が沸騰することがある。
【０００６】
さらに、サーキュレーション量が増えることによりモータ部での自己循環量が増え、モータ部での効率低下を招く。さらに、揚程を増加させるためには、モータを大出力とすることが必要になる。そこで、小出力モータでは問題がなかった起動、停止時の過渡時において発生する残留軸スラストが大きくなり問題である。起動時などは、特に気泡がポンプから送り出される液に混入しており、これが予期せぬ軸スラストのアンバランスを発生させることもわかった。
【０００７】
そこで、本発明は、たとえ過渡時であっても軸スラストを抑制（小さく）し、取り扱い液の沸騰を防止する対向式多段インペラを備えた加圧サーキュレーションとなっているキャンドモータポンプを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、インペラと、インペラが液体を吐出する吐出口と、インペラが液体を吸い込む吸込口とを有し、対向するインペラ室と、一方側に配置された前記インペラ室の前記吐出口と他方側に配置された前記インペラ室の前記吸込口を連結する主流路と、前記インペラを連結する回転軸と、前記インペラの間に配置され、前記回転軸を回転可能に支持し、前記回転軸とはすきまのある、対向した軸受けと、前記回転軸にはまりあい前記軸受けの間に配置されたロータと、前記ロータを囲み前記ロータとすきまがあるステータとを有するロータ部とを備えたキャンドモータポンプにおいて、前記他方側の前記インペラ室に吸込まれた液体の一部が、前記回転軸と前記他方側の前記軸受けのすきまから、前記ロータと前記ステータのすきま、および前記回転軸と前記一方側の前記軸受けのすきまを通って、前記一方側の前記インペラ室に流れ込み、かつ、前記液体の一部の流路の出口には、絞り機構が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
回転軸には、他方側のインペラ室から一方側へのインペラ室へのスラストが働く。スラストは、他方側のインペラ室から軸受けと回転軸とのすきまおよびロータとステータのすきまを通じて一方側のインペラ室へと流れる液体の流量、すなわち内部サーキュレーション流量、が大きいときは大きくなり、小さいときは小さくなる。そこで、絞り機構により内部サーキュレーション流量が小さくなるため、スラストが小さくなる。
【００１０】
しかも、絞り機構よりも前（上流側）にある軸受けにおいては液圧が高くなるため、軸受けにおけるモータ付きポンプ特にキャンドモータポンプの取り扱い液の沸騰を防止できる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記絞り機構は、前記一方側の前記インペラが前記一方側へ動いた場合は、流路をより狭め、前記一方側の前記インペラが前記他方側へ動いた場合は、前記流路をより広げることを特徴とする。
【００１２】
ここで、流路とは、一方側のインペラと一方側の軸受けとの間における取り扱い液の流れる部分である。
【００１３】
他方側から一方側へスラストが回転軸に働くと、一方側のインペラは一方側へ動く。この時に、絞り機構は流路を狭めるので、スラストが小さくなる。そこで、一方側のインペラが他方側へ動く。この時に、絞り機構は流路を広げるので、スラストが大きくなる。このようにして、スラストが小さくなる最適の位置にインペラが回転軸方向に関して静止する。
【００１４】
よって、スラストが小さくなる最適の位置にインペラを自動的に静止させることができる。しかも、作業者の手により、スラストのバランスをとる必要がなくなる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明であって、前記絞り機構は、前記一方側の前記インペラと前記一方側の前記軸受けとの間に配置され、前記回転軸にはめあわされているリング部材と、前記一方側の前記インペラと前記リング部材との間にせり出すせり出し部材とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず、第１の実施形態の構成を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかるキャンドモータポンプの側面断面図である。第１の実施形態にかかるキャンドモータ１は、インペラ室１０，１２、主流路１４、回転軸１６、軸受け１８，２０、ロータ部２２、絞り機構２６、ケーシング３０、端子台３２を備える。
【００１７】
インペラ室１０とインペラ室１２とは互いに対向する。ここで、インペラ室１０のある側を一方側、インペラ室１２のある側を他方側という。インペラ室１０、１２はそれぞれ、インペラ１０ａ、１２ａと、吐出口１０ｂ、１２ｂと、吸込口１０ｃ、１２ｃとを備える。
【００１８】
インペラ１０ａ、１２ａは偏平な羽根車である。インペラ１０ａ、１２ａは回転軸１６により連結されており、それぞれが回転軸１６にはめあわされている。インペラ室１０、１２はインペラ１０ａ、１２ａの中央部付近から回転軸１６の長手方向に向かって開口する吸込口１０ｃ、１２ｃを備える。吸込口１０ｃは一方側へ、吸込口１２ｃは他方側へ向かって開口する。吐出口１０ｂ、１２ｂは回転軸１６の長手方向に垂直な方向に向かって開口する。
【００１９】
吐出口１０ｂと吸込口１２ｃは主流路１４により連結されている。主流路１４は、例えばパイプであり、直線部分と曲線部分が継ぎ手により結合されているものである。
【００２０】
ケーシング３０はインペラ室１０、１２との間にあり、ロータ部２２、軸受け１８，２０を支持する。なお、軸受け１８はインペラ室１０からケーシング３０の内側の方向に配置され、回転軸１６を回転可能に支持する。軸受け２０はインペラ室１２からケーシング３０の内側の方向に配置され、回転軸１６を回転可能に支持する。また、軸受け１８，２０と回転軸１６との間にはすきまがある。軸受け１８，２０の間にはロータ部２２が設けられている。ロータ部２２は、ロータ２２ａおよびステータ２２ｂを備えている。ロータ２２ａは軸受け１８，２０の間に配置され、回転軸１６にはめあわされている。ステータ２２ｂはその内径がロータ２２ａの外径よりもやや大きく、ロータ２２ａを取り囲んでいる。従って、ロータ２２ａとステータ２２ｂとの間にはすきまがある。端子台３２はケーシング３０に設けられ、端子台３２とステータ２２ｂとは電気的に接続されている。
【００２１】
絞り機構２６は一方側のインペラ１０ａと軸受け１８の間に配置されている。絞り機構２６は例えばラビリンスなどである。
【００２２】
次に、第１の実施形態のキャンドモータポンプの作用を説明する。端子台３２を通じて図示省略した電源からステータ２２ｂに電流が供給されると、ロータ２２ａが回転し、ロータ２２ａとはめわされている回転軸１６も回転する。回転軸１６が回転すると、回転軸１６にはめ合わされているインペラ１０ａ、１２ａも回転する。
【００２３】
インペラ１０ａが回転すると、吸込口１０ｃからキャンドモータポンプ１の取り扱う液体が、インペラ室１０に吸込まれる。インペラ室１０に吸込まれた液体は吐出口１０ｂから吐き出される。吐き出された液体は主流路１４を通り、インペラ室１２の吸込口１２ｃに吸込まれる。インペラ室１２に吸込まれた液体の大部分は吐出口１２ｂから吐き出され、吐出口１２ｂに連結された図示省略した管に送出される。
【００２４】
インペラ室１２に吸込まれた液体の一部は回転軸１６と軸受け２０のすきまに流れ込み、ロータ２２ａとステータ２２ｂとのすきまを通り、回転軸１６と軸受け１８のすきまに流れ込む。この液体の流路の出口には、ラビリンス等の絞り機構２６がある。ここで、この液体の流量を内部サーキュレーション流量という。
【００２５】
一般的に、絞り機構を追加すると、流路抵抗が増加し流量が減少する。しかも、絞り機構の前では流体の圧力は高くなり、後では低くなる。
【００２６】
よって、絞り機構２６により、内部サーキュレーション流量は減少する。しかも、軸受け１８，２０は絞り機構２６の前にあるため、軸受け１８，２０における液圧は高く保たれる。図２は、第１の実施形態における液圧分布と従来のキャンドモータポンプの液圧分布を比較したグラフである。絞り機構２６により圧力差が生じているため（絞り追加の圧力）、軸受け１８，２０の液圧が従来よりも高くなっていることがわかる。
【００２７】
ここで、図３に、第１実施形態にかかるキャンドモータポンプ１における液体の流れおよび液圧を模式的に表したものを示す。ロータ２２ａの受圧面積をＡとすると、ロータ部で発生する軸スラスト力Ｔは数１のようになる。
【００２８】
【数１】
0004030227.tif 000002
ただし、Ｐ１は他方側からの圧力、Ｐ２は一方側からの圧力である。Ｐ１とＰ２は内部サーキュレーション流量Ｑによって決まる。Ｑが大きいときは、Ｐ１−Ｐ２が大きくなり、軸スラスト力Ｔが大きくなる。Ｑが小さいときは、Ｐ１−Ｐ２が小さくなり、軸スラスト力Ｔが小さくなる。
【００２９】
第１の実施形態によれば、絞り機構２６により、内部サーキュレーション流量Ｑは減少するため、回転軸１６に働くスラストＴが小さくなる。
【００３０】
しかも、軸受け１８，２０は絞り機構２６の前にあるため、軸受け１８，２０における液圧は高く保たれることから、取り扱う液体は軸受け１８，２０において沸騰しない。液体が沸騰することにより機能喪失を起こすのは軸受け１８，２０であり、軸受け１８，２０の機能喪失を防止し、キャンドモータの信頼性を高められる。
【００３１】
なお、内部サーキュレーション流量Ｑは自己循環量であり、キャンドモータポンプ１の効率の低下を招くため少ないことが望ましい。よって、絞り機構２６によりモータ効率の向上を図ることができる。
【００３２】
図４は、本発明の第２の実施形態にかかるキャンドモータポンプの部分側面断面図である。第２の実施形態においては、第１の実施形態の絞り機構２６が、リング部材４０、せり出し部材４２に変更されたものである。なお、リング部材４０、せり出し部材４２が可変オリフィスを構成する。
【００３３】
まず、第２の実施形態の構成を説明する。リング部材４０はリング状の部材であり、インペラ１０ａと軸受け１８の間に配置され、回転軸１６にはめあわされている。せり出し部材４２はインペラ１０ａとリング部材４０との間にせり出している。せり出し部材４２の内径Ｄ２はリング部材４０の外径Ｄ１以下である。せり出し部材４２はインペラ室１０にはめあわされている。
【００３４】
次に作用を図５を参照して説明する。起動、停止時などの過渡時を想定する。まず、スラストが回転軸１６に他方側から一方側へと働く。過渡時であるがゆえに、スラストは大きい。よって、ロータ２２ａは一方側へ動き、それに伴いインペラ１０ａもまた一方側へ動く（図５（ａ））。この時、リング部材４０とせり出し部材４２の間隔Ｃが狭まる。よって、内部サーキュレーション流路２４を流れる液体の流量が減少する。よって、スラストもまた小さくなる。スラストが小さくなった分、回転軸１６に対し他方側へ働く力が増加したことになる。
【００３５】
そこで、ロータ２２ａは他方側へ動き、それに伴いインペラ１０ａもまた他方側へ動く（図５（ｂ））。この時、リング部材４０とせり出し部材４２の間隔Ｃが広がる。よって、内部サーキュレーション流路２４を流れる液体の流量が増加する。よって、スラストもまた大きくなる。
【００３６】
このようにして、スラストが一方側と他方側でバランスし、スラストが抑制される間隔Ｃでインペラ１０ａは、回転軸１６の長手方向に関して静止する。
【００３７】
第2の実施形態によれば、人手によらず、自動的にスラストを抑制し、一方側と他方側でバランスさせるため、簡単にスラストを抑制し、バランスがとれる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、一方側のインペラと一方側の軸受けとの間に配置された絞り機構により、内部サーキュレーション流量が小さくなるため、スラストが小さくできる。
【００３９】
しかも、絞り機構よりも前（上流側）にある軸受けにおいては液圧が高くなるため、軸受けにおけるモータ付きポンプ特にキャンドモータポンプの取り扱い液の沸騰を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるキャンドモータポンプの側面断面図である。
【図２】第１の実施形態における液圧分布と従来のキャンドモータポンプの液圧分布を比較したグラフである。
【図３】第１実施形態にかかるキャンドモータポンプ１における液体の流れおよび液圧を模式的に表した線図である。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかるキャンドモータポンプの部分側面断面図である。
【図５】リング部材４０とせり出し部材４２の間隔Ｃの変化を表した側面断面図である。
【図６】従来技術におけるキャンドモータポンプの側面断面図である。
【符号の説明】
１０、１２  インペラ室
１０ａ、１２ａ  インペラ
１０ｂ、１２ｂ  吐出口
１０ｃ、１２ｃ  吸込口
１４  主流路
１６  回転軸
１８、２０  軸受け
２２  ロータ部
２６  絞り機構
４０  リング部材
４２  せり出し部材
【図１】
0004030227.tif 000003
【図２】
0004030227.tif 000004
【図３】
0004030227.tif 000005
【図４】
0004030227.tif 000006
【図５】
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【図６】
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