高性能マグネットポンプ 

高性能マグネットポンプ
高性能マグネットポンプ

マグネットポンプの特徴

スペック社の主力製品はこのマグネットポンプです。マグネットポンプの3大メリットはご存知の通り、

・媒体が漏れない 

・メンテナンスフリー

・使用温度帯の幅が広い

以上になります。現在ではメカニカルシール型ポンプを抑えて、このマグネットポンプが様々な分野で主流となっています。スペック社の本社である欧米でいち早くこのマグネットポンプが採用される中、日本市場において私たちは他社メーカーに先駆けて、このドイツ製のマグネットポンプを様々な分野に供給し続けてきました。 特にこのマグネットポンプの3大メリットの中でも、スペック社のマグネットポンプだけが持つ特徴があり、これにより様々な分野においてスペックのマグネットポンプを求めるユーザーが増え続けている理由になります。

マグネットポンプとは何か?

モーターポンプの変遷を見ていきますと、初期はメカニカルシールポンプと言われるタイプが主流でした。メカニカルシールでポンプヘッドから媒体が漏れないようにシールしながら回転しますが、これでは完全に漏れを封じ込めることもできずまたメカニカルシールの経年劣化による漏れ、マイナス帯や高い温度帯の媒体では使用できないという問題点がありました。そこで登場したのがマグネットポンプです。

マグネットポンプの原理1  マグネットポンプの原理2

マグネットポンプ                    メカニカルシール

マグネットポンプは上図の通り、モーターシャフトとポンプシャフトの間に、外部マグネットと内部マグネット、そして媒体を完全に受け止めるCanと呼ばれるものが入っています。モーターシャフトにより回転された外部マグネットはCan内部にある内部マグネットを磁力により回転させます。Can部により媒体は完全に密閉されていますので、外に漏れる事がありません。内部マグネットと繋がったポンプシャフトが回転しその先に付いているインペラーを回転させる事で、媒体は圧力を得ながら吐き出されていきます。

メカニカルシールには回転環と固定環と呼ばれる2つのリングで構成されています。この回転環と固定環が隙間ミクロン単位で保持しながら擦りあいます。この回転環と固定環が接触する面を摺動面と呼びます。この摺動面の隙間には媒体が入りメカニカルシールの潤滑の役割を果たします。摺動面が隙間なく密着すれば漏れませんが、固定環や回転環の経年劣化により摺動面から漏れが発生する事があります。以上の理由により、メカニカルシールの密閉性は完全とは言えません。

またメカニカルシールでは、直接メカニカルシール部と流体が接触するため、使用できる媒体の温度帯もマグネットポンプに比べて限られます。マグネットポンプでは、このような媒体の温度による影響を受けることがないため広範囲の流体の温度帯で使用でき、またメカニカルシールなどの交換部品もないため、メンテナンスが必要ないポンプになっています。

カスケードタイプと渦巻きタイプ

マグネットポンプというのはこのように媒体を完全に密閉しながら、磁力の力でインペラー部を回転させる事で媒体を輸送するポンプの構造になります。そしてマグネットポンプ構造を使ったポンプの中では更に大きく分けて2つの遠心ポンプである カスケードポンプタイプと渦巻きポンプタイプに分けることができます。

カスケードポンプ
カスケードポンプ
渦巻きポンプ
渦巻きポンプ

カスケードポンプの形はポンプヘッド部が平でフラットな形であることが特徴的です。渦巻きポンプのヘッド部は丸いお椀のような形をしています。この形の違いはそれぞれのポンプが持つ性能的特徴の違いによるものです。カスケードポンプの性能的特徴は、小流量 高圧力を生み出せるポンプです。渦巻きポンプの特徴は 大流量 低圧力を生み出すポンプです。

カスケードポンプ
カスケードポンプ 流体の動き
渦巻きポンプ
渦巻きポンプ 流体の動き
            

■カスケードポンプ

カスケードポンプで使われているインペラー羽根には無数のvaneと呼ばれる小さい突起物が付いています。吸い込み口から入った液体はポンプ内壁に沿って、この無数のVaneによって生み出される強力な渦によって繰り返し加圧されることで、吐き出し口から出るまでに高い圧力を生み出します。インペラーとケーシングの間の溝の深さは狭く、1つ1つの突起物がこの狭い溝の間に無数の渦流を起こして、一周する間にどんどん圧力を高めるのです。

カスケードポンプではバルブを絞ると圧力がどんどん高まっていきます。その性能曲線は渦巻きポンプに比べて傾斜が強いです。また弁を絞る程に圧力が高まるため、締め切り運転に近くなるほどに流量は上がります。よってカスケードポンプの始動時は弁を開放して起動する事で電流値を抑えて運転します。またNPSHR(必要吸込みヘッド)は渦巻きポンプの場合、流量が上がる程に急激に上昇します。

   

■渦巻きポンプ

渦巻きポンプはインペラーをケーシング内で回す事で、遠心力の力で媒体に圧力と速度のエネルギーを与えるポンプです。渦巻きポンプはカスケードポンプとは違い、流量が上がる程(弁を開ける程)に消費電力値が上がります。圧力が上がる程、消費電力値が上がるカスケードポンプとの大きな違いです。ですので渦巻きポンプの起動時では、なるべく弁を締めて流量が少ない状態で運転をスタートさせる方が、モーターに負担が掛かりません。

渦巻ポンプ 渦巻ポンプ断面

性能曲線もカスケードタイプに対して、傾斜がゆるいカーブになっています。流量に対して圧力差が少ないのが特徴です。またカスケードポンプよりも圧力を出すことは出来ませんが、大流量の媒体を流すことができます。ポンプ内の写真を見ると、渦巻きポンプは圧力ではなく流量を多く出すための構造に、カスケードポンプはより圧力を出すための構造になっていることが分かります。

キャンドモーターポンプとマグネットポンプの違い

キャンドモーターポンプはポンプとモーターが一体化し、使用媒体が密閉される構造になったポンプです。モーターコイルに流れる電流によって回転磁界が生じることでシャフトが回転します。モーターの回転がそのままインペラーの回転に直結する構造になっているため、マグネットポンプよりもコンパクトでシンプルな構造です。

モーターの仕組み

スペックポンプにはキャンドポンプ型のPMモーターポンプがあります。PMモーターは固定子に電流を流して、それによって生まれる回転磁界と回転子(永久磁石)が引き合い同じ速度で回るモーターです。

       

上図のPMキャンドモーターポンプは、ポンプヘッドがモータ―内に入っています。モーターの回転子の力がそのままポンプヘッドのインペラーに伝わります。

  

こちらはマグネット型のPMモーターポンプです。PMモーターの回転子の力によって外部マグネットが回転します。内部マグネットとの磁力によってポンプシャフトが回転し、インペラーも回ります。

マグネットポンプの選定方法

マグネットポンプに限りませんが、ユーザー様からポンプ選定依頼が来た時に聞く項目としては、主に以下の3点になります。

  1. 使用電源( 例 200V 50Hz など)
  2. 使用媒体・使用温度 (例 FC3283 -20℃)
  3. 使用稼働点 (例 40 l/m at 0.3MPa)

1.媒体の物性を知る

マグネットポンプで扱う媒体には様々な物性を持つ媒体があります。常温の水の場合は、ケーシングの材質をステンレス製にする等の注意点でよいですが、密度が1.8(g/cm3)などの重いフロリナートやガルデンなどのフッ素系媒体の場合や、低温時に粘度が50cp以上に上がってしまう熱媒油の場合、また純度が電機導電率 0.1 (mS/m)以下を切るような高純度の純水を用いる場合、同じ水でも180℃以上の高温帯で使用する場合など、その時の媒体の物性によって、選定すべきマグネットポンプも変わってきます。

密度
フロリナートなどのフッ素系媒体は常温時で密度1.8(g/cm3)に達する水に比べて重い媒体です。ポンプはどんな媒体に対しても、揚程(m)と呼ばれる一定の仕事をします。つまり同じポンプを使用した場合に、水であろうと重いフロリナートであろうと、同じ高さの揚程A(m)だけ持ち上げるという事です。

しかし、ポンプがそれぞれの媒体を同じ揚程A(m)を持ち上げるとしても、密度が異なれば装置回路に掛かってくる圧力(MPa)は異なってきます。結論から言えば、密度に比例して、圧力(MPa)は大きくなってくるのです。フロリナートの場合、水に比べて1.8倍の圧力をポンプは生み出すことになります。またシャフトにかかる力も密度倍になりますので、モーターの軸動力も1.8倍になるため、高比重媒体ではモーターサイズの選定にも気を付けなければなりません。

粘度
主に熱媒油やエチレングリコールなどは低温状態ではドロドロとした高粘度の媒体になります。10cp程度の動粘度ならば、ポンプの稼働に大きな影響は及ぼしませんが、50cp程度の高い動粘度の場合、媒体を送り出すのに高い負荷がポンプとモーターのシャフトに掛かります。この時にモーターの軸動力は上がりますので、常温スタートの場合は余裕を持った大きめのモーター選定が必要になります。(媒体温度が十分に上がった状態であれば、粘度は下がりますので、高粘度媒体の運転に対しては1つの対策になります。)またあまりにも粘度が高くなると、流量や圧力にも影響が出てきますのでこれも注意が必要です。ポンプそれぞれには許容できる粘度の上限値が決まっており、スペックポンプの場合は主に100cpが上限値になっています。

純水の純度
媒体が純水の場合、その純水が持つ純度によっては、ポンプの構成部品に対策が必要になります。例えば純度が電機導電率 0.1 (mS/m)以下を切るような高純度の純水を用いる場合、スペックマグネットポンプでは純水仕様のマグネットポンプを選定します。純水を循環させる場合、インペラーやシャフトに対して異常摩擦が起こる場合があります。 これを防ぐためにスペックのマグネットポンプでは、通常はアルミナ素材のシャフトをSic(炭化ケイ素)に変え、シャフト径も通常より太くして純水の使用に対応しています

温度帯
媒体の使用温度もポンプ選定にとって大事な要素です。まずは温度が異なれば、同じ媒体でもその物性は大きく変わります。熱媒油やエチレングリコールなどは温度が下がれば粘度は高まります。FC3283などのフッ素系媒体の場合は、温度が下がるほどに密度が上がります。これらの粘度や密度の変化は上記で書いたようにポンプの選定にとって大事な要素です。

次に温度自体が変わることで、ポンプヘッドに選ぶ部材も変わってきます。スペックのマグネットポンプの場合、特にインペラーなどに顕著です。

・PEEK材・・・通常温度(0℃~100℃)

・ステンレス材・・低温(-30℃以下)~高温(180℃以上)

また―30℃以下のフッ素系媒体を扱う場合などは、ポンプヘッドに起こる結露対策として、ブラケット部にドライエアーの供給口を設けます。

使用電源・インバーターの有無
使用する場所によって、電源(電圧/周波数)は変わってきます。周波数が変われば、ポンプが出す能力も変わってきますので、使用電源(電圧/周波数)を抑えることは重要です。スペックのIEモーターは、200V帯のΔ結線、400V帯のY結線の両方が使えるマルチモーターが特徴ですが、使用する電圧を抑えておくことは、モーター過負荷のラインをチェックする点でも重要になりますので、必ず抑えておきましょう。

またユーザーによっては、インバーターで周波数を調整し、回転数を変えているという方々もいます。インバーターで周波数を変える事ができれば、モーターサイズなどの兼ね合いもありますが、通常の50-60Hzでは出せなかった範囲の能力も使える可能性があります。

スペックのIEモーターは45~67hz、PMモーターはVFDに特化したモーターになりますので、0~200Hzまでの可変が可能です。

稼動点を決定する
液体ポンプの選定で最も大事な要素が、この稼動点(圧力・流量)になります。モーターから得た運動エネルギーがシャフトを通じてインペラーに伝わり、インペラーは回転しながら媒体に一定の圧力を与えながら吐き出します。つまり、必要な圧力(MPa) 必要な流量(l/m)が決まれば、その稼動点を達成できるポンプの選定に移れるのです。高い圧力・大きな流量を移送したければ、それなりに大型のポンプが必要になってきます。媒体の特性・使用温度を把握した後は、使用稼動点を決定する事でポンプの選定に入ります。

回路を把握する
最後にポンプが組み込まれている装置の回路を把握することも大事な要素です。回路が圧力が逃げることのないような閉回路なのか、それともタンクなどが一部で大気に開放されているような開回路かによって、必要なNPSHAの計算も変わってきます。また大流量をバイパス回路で逃がすことができる設計かどうかも、モーターサイズの選定に影響してきます。

 

キャビテーションのメカニズム

キャビテーションとはポンプ内の圧力が低下することにより起こる媒体の沸騰現象(液体からガスへ)の事です。キャビテーションにより発生した気泡により、インペラーに繰り返し水撃作用を及ぼし、ポンプの能力を低下させます。

キャビテーションは常温でも起こります。ポンプ内部ではインペラーが回転する際に、圧力が高い部分と低い部分に分かれます。特にインペラーの中心部は圧力が低下しやすいです。これはどのポンプでも持つ現象で、この圧力低下分をそのポンプが持つNPSHR必要吸込みヘッドと言います。NPSHRとは、この圧力分だけ減少すると、このポンプはキャビテーションを起こしますよ、という値です。キャビテーションを防ぐにはこのポンプ内の圧力低下分であるNPSHRよりも、1.3倍以上のポンプに対する押し込み圧力NPSHAを持つべきだとされています。この押し込み圧力が十分に取れていれば、それだけキャビテーションは起こりにくくなります。逆の考えでは、NPSHR 必要吸込みヘッドが小さいポンプはそれだけ優秀なポンプと言えるでしょう。

常温でもキャビテーションが起こるという理由は、液体が持つ飽和蒸気圧に関係しています。例えば、水は地上1013hpa時に100℃で沸騰を起こしますが、富士山の頂上付近に登り大気圧が下がった状態であれば、87℃‐630hpaでお湯は沸騰します。ポンプ内でも同じようにNPSHR分だけ圧力が低下すれば、常温に近い状態でもキャビテーションが起こることがあります。また沸騰ギリギリの高温で運転している媒体などは、それだけでキャビテーションに近い状態でポンプを動かしていると言えます。

NPSHとは何か?

ポンプの運転にはNPSHR(必要吸込みヘッド)とNPSHA(有効吸込みヘッド)という2つの値が存在します。NPSHR(必要吸込みヘッド)というのは、そのポンプが持つ固有の値で、ポンプ内で失われる圧力を言います。吐き出す流量が増える程にこのNPSHRの値は増していき、媒体の飽和蒸気圧以下まで下がってしまうとキャビテーションが起こります。NPSHR(必要吸込みヘッド)が低いポンプというのは、それだけキャビテーションを起こしにくいポンプになりますので、優秀なポンプと言えます。

NPSHA(有効吸込みヘッド)は、そのポンプで使われているシステムに関係する値です。ポンプに対してどれだけの押し込み圧力があるかを示す値で、例えばポンプから高さ10mの位置にあるタンクから水をポンプ吸い込み側に送っているとしたならば、NPSHA(有効吸込みヘッド)10mを確保していると言えます。この他に媒体の密度や、配管の抵抗なども関係し、最終的なNPSHAが決定します。

NPSHA(有効吸込みヘッド)が十分に取れていれば、たとえNPSHR(必要吸込みヘッド)で圧力が失われていても、キャビテーションは起こりません。反対にNPSHAが小さければ、それだけポンプのキャビテーションのリスクは上がります。安全なポンプ運転には

NPSHA ≧ 1.3 x  NPSHR

これだけのNPSHA(有効吸込みヘッド)を取る必要があるとされています。

スペック社 マグネットポンプを選ぶ理由

【-100℃から+350℃まで】

スペック社のマグネットポンプを選ぶ理由-100℃から+350℃まで

スペック社のマグネットポンプの利点は他にもその幅広い温度帯にあります。最高温度は熱媒油で350℃、水で220℃まで可能であり、主にプラスチック産業で広く使われています。また低温分野では半導体業界を始めとして、極低温の使用が進んでいます。スペック社ではこれに対応すべく、マグネットポンプは低温ではフッ素系媒体-100℃まで使用可能であり、半導体向けチラー業界にに数多く採用されています。

幅広い温帯域のマグネットポンプ

【装置内にポンプ最小スペースを提供】

また国内他社のマグネットポンプに比べて、スペック社のマグネットポンプはそのコンパクトサイズに関わらず高い圧力が出せるのも特徴です。近年では装置の小型化が進んでおり、搭載されるポンプのスペースも限られてきています。その中でスペックのマグネットポンプは最小のモーターサイズで十分な能力(圧力・流量)が出せるという評価を頂いております。特に圧力においては既定モーターサイズでは国内メーカーが出せない圧力を出す事ができます。最新のPMモーターポンプにおいては更にこの小型化を進めることに成功し、ユーザーが求めるポンプの最小スペースという要求に応えることが出来ています。

専用インバーター

ポンプ最小スペースのマグネットポンプ

 

【脈動を起こさない】

スペックポンプは脈動を起こさないので、正確性が求められる装置の温調などに適しています。

脈動を起こさないマグネットポンプ

 

【CE規格  UL規格 GB規格 安全増ATEX など取得】

CE規格UL規格GB規格取得のマグネットポンプ

スペック社のマグネットポンプが選ばれている理由はポンプ能力に関してだけではありません。海外に製品輸出するメーカーにとっては、欧州のCE規格・アメリカのUL規格、そして著しい成長を見せている中国市場に必要なGB規格などは抑えておかなければならないポイントです。しかし、これらの各種規格は、取得するためにコスト・時間などが非常に掛かるものです。しかしスペックでは、CE規格は全製品に標準で付いており、UL規格 GB規格の取得も実績と経験が多いため問題ございません。 また特に安全を要する現場には安全増ATEXモーターのポンプが必要になります。この安全増規格についてもスペックのマグネットポンプは数多くの実績があるため、他社メーカーよりも最小のコストで取得することが可能です。

以上のポイントが数多くあるマグネットポンプの中でも、スペック社のマグネットポンプが数多くのユーザーによって選ばれている理由になります。

標準型マグネットポンプ 高温油型マグネットポンプ  高温水型マグネットポンプ

スペック社のマグネットポンプはその用途ごとに大きく3つのタイプに分けることができます。

標準型マグネットポンプ

【スタンダートタイプ マグネットポンプ】

水 最高140℃  油 最高180℃   

フッ素系媒体(フロリナート ガルデン)-60℃~200℃

  • マイナス100℃から対応可能
  • 高比重媒体(たとえば比重1.8)にも対応
  • マグネット駆動シールレスのため液漏れがありません。
  • CEマーク(ヨーロッパ規格)対応ポンプ。
  • ご要望によりUL規格モーターも搭載可能。
  • 小流量から大流量まで幅広く対応可能です。
  • コンパクト設計ポンプです。

高温油型マグネットポンプ

【高温油タイプマグネットポンプ  TOEシリーズ】 油 最高350℃まで可能

  • 350℃まで対応
  • マグネット駆動式シールレスポンプです。高温媒体の漏れがありません
  • CEマーク(ヨーロッパ規格対応)
  • 小流量5リッター/分から大流量1,000リッター/分以上までの機種を取り揃えています。
  • 温度調節機、ボイラーなど

 

高温水型マグネットポンプ

【高温水マグネットポンプタイプ  HTシリーズ】

高温水 最高180℃ 200℃ 220℃から選択可

・プラスチック成型業界で注目を集めている、高温水金型温調に対応した製品

・ポンプ耐圧を増やし、加圧ポンプとの組み合わせで180度 220度使用を実現

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