JP2001099090A - ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 現在、ポンプの小型化・高効率化が非常に重
要になってきている。しかし、従来の小型ポンプに対
し、さらなる高揚程化のために回転数や羽根車径を増大
させると円盤摩擦損失が飛躍的に増大し、効率を悪化さ
せるという課題があった。そこで簡単な構成でこの円盤
摩擦損失を低減しポンプの高効率化を安価に実現できる
ポンプを提供することを目的とする。 【解決手段】 流体に運動エネルギーを与える羽根車１
と、前記羽根車１を収納するケーシング４と、前記羽根
車１が回転する軸２および軸受３と、前記羽根車１の後
面シュラウド５とを備えたポンプであって、後面シュラ
ウド５をラッパ状にしてその開口側を下方に向け、この
ラッパ状の凹部に気体が溜まるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高効率化を図れる
ポンプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばフューガルポンプの揚程性
能向上のためには回転速度を速くしたり、羽根車径を大
きくする等が行われている。以下に、従来の技術につい
て説明する。

【０００３】図７は従来のポンプの構造図である。１０
１は図示しない電気モータなどの駆動源からのエネルギ
ーを流体に伝達する羽根車、１０２は羽根車１０１を回
転自由に係合する軸、１０３は軸１０２に対し羽根車１
０１を回転自在に保持する軸受け、１０４は軸１０２を
固定し羽根車１０１などを収納すると同時に羽根車１０
１から流出する流体を捕集・昇圧しポンプ吐出口へと導
くケーシング、１０５は羽根車１０１の一部をなす後面
シュラウドである。

【０００４】ポンプの作用としては電気モータの回転ト
ルクにより羽根車１０１が回転し、羽根車１０１内部の
図示しない羽根により流体に回転運動が伝達されその回
転運動による遠心力で羽根車の外周方向へ流体は運動エ
ネルギーを持つこととなる。遠心力は羽根車径に比例
し、回転速度（回転数）の２乗に比例する。

【０００５】つまり、従来のポンプは羽根車回転数の増
大もしくは羽根車径の増大によりこの遠心力を強化する
ことでポンプは高揚程化していた。とくに、外形寸法の
小さなポンプでは羽根車径を増大することは外形の大型
化につながるため、電気モータをＤＣモータにするなど
して高回転数化して、高揚程化を図っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】現在、ポンプの組み込
み機器も他聞に漏れず省エネ化が求められており、ポン
プの高効率化が非常に重要になってきている。高効率化
のためには機械的なものや羽根車内部及び外部の流体損
失の低減が大きな課題となっている。従来の特に小型で
低比速度のフューガルポンプにおいては、羽根車と流体
間に起こる流体摩擦による損失は全損失に対しかなり大
きな割合を占める。

【０００７】この流体摩擦による損失（円板摩擦）は羽
根車の外径の５乗に比例、回転速度の２乗に比例する。
よって高揚程化のために回転数や羽根車径を増大させる
と損失が飛躍的に増大し、効率を悪化させる要因となっ
ていた。実例を示すと羽根車径が６０ｍｍで定格運転時
の出力が２０．５Ｗという電動小型ポンプの場合、定格
回転数（５０００ｒｐｍ）における損失は１０Ｗ程度と
みられ、電動機損失以外の損失の１５％程度をこの円盤
摩擦損失が占める。

【０００８】そこで、本発明は簡単な構成でこの円盤摩
擦損失を低減しポンプの高効率化を安価に実現できるポ
ンプを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、流体に運動エネルギーを与える羽根車と、
前記羽根車を収納するケーシングと、前記羽根車が回転
する軸および軸受と、前記羽根車の後面シュラウドとを
備えたポンプであって、後面シュラウドをラッパ状にし
てその開口側を下方に向け、このラッパ状の凹部に気体
が溜まるようにした。

【００１０】この構成により、簡単な構成でこの円盤摩
擦損失を低減しポンプの高効率化を安価に実現できるポ
ンプを提供できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】請求項１に記載された発明は、流
体に運動エネルギーを与える羽根車と、前記羽根車を収
納するケーシングと、前記羽根車が回転軸する軸および
軸受と、前記羽根車の後面シュラウドを備えたポンプで
あって、後面シュラウドをラッパ状にしてその開口側を
下方に向け、ラッパ状の凹部に気体が溜まるようにした
ものであり、後面シュラウドに発生する流体摩擦を低減
することができるので損失を減少させることが可能とな
りポンプの高効率化が低コストで行なえる。

【００１２】請求項２に記載された発明は、前記後面シ
ュラウドの開口部の周方向にリブを突設した請求項１記
載のポンプであり、後面シュラウドの内部に滞留してい
る気体の羽根車の回転運動に伴う拡散を抑制し、気体の
滞留状態を安定化できると同時に運転前の状態における
滞留気体の体積を大きくとることができるので、後面シ
ュラウドに発生する流体摩擦による損失を安定して減少
させることが可能となりポンプの性能が安定する。

【００１３】請求項３に記載された発明は、前記後面シ
ュラウドの内部に気体を供給する気体供給手段を備えた
請求項１または２に記載のポンプであり、気体が何らか
の外乱により後面シュラウドより漏れだしても補給され
るので後面シュラウドに発生する流体摩擦による損失を
安定して減少させることが可能となりポンプの性能が安
定する。

【００１４】請求項４に記載された発明は、前記軸を前
記羽根車側に固定とし、前記軸受を前記ケーシング側に
固定するようにした請求項１〜３のいずれかに記載のポ
ンプであり、ポンプ運転時には羽根車前面より高圧であ
る後面シュラウド内部の気体が軸と軸受に生じる隙間に
浸入する事がないので、軸受の流体による潤滑が確実に
なり軸損の増大を防ぎポンプの性能が安定すると同時に
軸及び軸受の寿命を確保することができる。

【００１５】請求項５に記載された発明は、前記後面シ
ュラウドの内部に、前記軸を含む断面の形状が前記後面
シュラウドの形状を概略オフセットした形状となってい
る部分を有する前記軸もしくは軸受の収納部が構成さ
れ、その収納部と前記ケーシングが占有体積の小なる部
分を介して結合されている請求項１〜４のいずれかに記
載のポンプであり、ポンプ運転時には羽根車前面より高
圧である後面シュラウド内部の気体が圧縮されて容積が
減少しても後面シュラウド内部が気体に接触する面積の
減少は最小限となり流体摩擦による損失の増大が抑えら
れポンプの高効率化が簡単な構造で行なえる。

【００１６】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１におけるポンプの構造図で、１は図示しない電気モ
ータなどの駆動源からのエネルギーを流体に伝達する羽
根車、２は羽根車１を回転自由に係合する軸、３は軸２
に対し羽根車１を回転自在に保持する軸受、４は軸２を
固定し羽根車１などを収納すると同時に羽根車１から流
出する流体を捕集・昇圧しポンプ吐出口へと導くケーシ
ング、５は羽根車１の一部をなす後面シュラウドであ
る。

【００１７】図に示すように、後面シュラウド５はラッ
パ状であって、重力の方向に対し下方に開口した凹部を
有している。そのため駆動する流体に比べ比重の小さい
気体などを凹部の内部に滞留させることができる。ここ
で、軸２を回転中心に軸受３を介して係合された羽根車
１が図示しない電気モーターなどにより回転駆動されて
も後面シュラウド５に接触して回転する流体はその遠心
力により外周部に移動し、より比重の小さい気体は中心
部上方に集まり気体溜まり領域６を形成する。

【００１８】ここで、羽根車１を単なる回転円盤として
みると回転する円盤の表面に生じる摩擦応力による損失
トルクは一般的に円盤径の５乗、回転数の２乗、および
流体の粘性および密度に比例する。そのため、円盤の周
りの流体が水の場合と空気の場合とでは、水と空気の粘
性の比率が１０００：１程の差があることから同比率で
摩擦応力の差が生じる。つまり、水中で回転する回転円
盤に部分的にでも空気が接触するように構成すればその
部分の摩擦は実効的に無視できるほどになり全体の回転
摩擦を減少できることとなる。

【００１９】数値シミュレーションによると、外径φ６
０ｍｍの羽根車が５０００ｒｐｍで回転するときの円盤
摩擦は約９．５Ｗとなっている。このポンプに本実施の
形態による円盤摩擦低減策を施すことにより円盤摩擦は
４．５Ｗとなるので、機械的効率が約６％向上すること
となる。このことから、特別な機構をポンプに付加する
ことなく羽根車１の回転に関わる摩擦損失を減少でき、
ポンプを高効率化できる。

【００２０】（実施の形態２）図２（ａ）は本発明の実
施の形態２におけるポンプの構造図、図２（ｂ）は同ポ
ンプの部分拡大断面図である。

【００２１】本実施の形態２では後面シュラウド５凹部
内部の開口部の周方向にリブ７を突設している。このた
め、羽根車１が回転開始したときに生じる後面シュラウ
ド５凹部での気液面の擾乱が生じてもリブ７があること
で気体が凹部から出にくくなり、より多くの気体を確実
に滞留状態とすることができる。また運転中の気液面の
動きに対しても同様に気体の滞留を保持することに有効
である。同時に運転前の状態における気体溜まり領域６
の体積を大きくとることができる。結果として後面シュ
ラウド５に発生する流体摩擦による損失を安定して減少
させることが可能となりポンプの性能が安定する。な
お、リブ７に対応した凹部をケーシング４側に設けるこ
とでさらにこの効果を向上することも可能である。

【００２２】（実施の形態３）図３は、本発明の実施の
形態３におけるポンプの構造図である。後面シュラウド
５の凹部に対し他の気体を供給する気体供給手段８を有
する。ここで、何らかの外乱が加わったとき、例えばポ
ンプ据え付け台が可動である場合などにおいて、ポンプ
が大きく傾いたときなどに、滞留している気体が後面シ
ュラウド５の凹部から出て、液面が上昇し摩擦が増える
こととなる。このような場合に備えて、気体供給手段８
から常時、あるいは一定時間間隔で、外部から気体を圧
送し補給するので後面シュラウドに発生する流体摩擦に
よる損失を安定して減少させることが可能となりポンプ
の性能が安定する。

【００２３】ここでもしこのポンプが循環管路に接続さ
れており、管路中に気液分離機構が存在するならば、ポ
ンプの設置位置を管路中の最上部とし、気液分離機構か
ら出た気体をこの気体供給手段８に接続することとで毎
運転中止時に自動的に気体が後面シュラウド５の凹部に
供給されることとなり構造を簡単化することができる。
また、この場合、気液分離機構をケーシング４と一体に
設けることができればさらに部品数が低減できるのでシ
ステムの低コスト化が可能となる。

【００２４】（実施の形態４）図４は、本発明の実施の
形態におけるポンプの構造図である。ポンプはその構成
上、運転時にポンプ吐出側は羽根車１の上面側（吸い込
み側）に対し、発生する揚程分にほぼ等しい圧力差が生
じる。つまり、運転時には後面シュラウド５の凹部内の
滞留気体にも同じ圧力がかかることとなる。後面シュラ
ウド５を貫通して軸２及び軸受３が構成されている場
合、運転時に加圧される気体溜まり領域６の滞留気体が
軸２と軸受３の間隙を通って低圧側（羽根車１の上面
側）に漏洩するおそれがある。また、通常、軸２と軸受
３の間の潤滑を駆動流体による液体潤滑とすることで長
寿命化がなされている。よって、後面シュラウド５を貫
通して軸２及び軸受３が流体と接触するようにしなけれ
ば潤滑の不足により軸関係の寿命の確保が保証できなく
なるおそれがある。

【００２５】本実施の形態４においては、軸２を羽根車
１側に固定とし、軸受３をケーシング４側に固定する構
成をとっているので、ポンプ運転時には羽根車１上面よ
り高圧である後面シュラウド５の凹部の気体が軸２と軸
受３に生じる隙間に浸入する事がないので軸２と軸受３
の流体による潤滑が確実になり軸損の増大を防ぎポンプ
の性能が安定すると同時に軸及び軸受の寿命を確保する
ことができる。

【００２６】さらに、軸２と軸受３の上部端面を流路に
露出させる構成とすれば、軸２と軸受３の間に流体が入
り液体潤滑がより一層効果的に行われるようになり軸の
摩擦による損失軽減される他、軸２と軸受３の摩耗も抑
えられる。

【００２７】（実施の形態５）図５は本発明の実施の形
態におけるポンプの構造図、図６は同ポンプの部分拡大
断面図である。

【００２８】前記のように運転時にポンプ吐出側は羽根
車１の上面側（吸い込み側）に対し発生揚程分の圧力差
が生じるので、非運転時に比べ気体溜まり領域６は圧縮
され摩擦損失が増加する。本実施の形態５では後面シュ
ラウド５の凹部内に、羽根車１の軸２を含む断面の形状
が後面シュラウド５の形状を概略オフセットした形状と
なっている軸２の収納部が構成され、その収納部とケー
シング４本体が占有体積の小なる部分、本実施の形態５
ではリブ形状部材９を介して結合されている。

【００２９】このような構成により、凹部内の気体体積
の大半が軸２の収容部とケーシング４との結合部分にあ
ることとなる。そのため、非運転時には後面シュラウド
５の凹部に充たされた状態の滞留気体がポンプの運転開
始に伴いポンプ吐出側の圧力が上昇して圧縮されて容積
が減少しても、減少分は前記の軸２の収容部とケーシン
グ４との結合部分にあるため、図６に示されるように非
運転時の液面から運転時の液面への液面上昇が小さく抑
えられるので後面シュラウド凹部が気体に接触する面積
の減少は最小限となり流体摩擦による損失の増大が抑え
られポンプの高効率化が簡単な構造で行なえる。なお、
この構成は軸受３が羽根車１の側に設けられるような上
記他の実施の形態においても応用が可能であり、同様の
効果を奏することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明のポンプは、低粘性
の流体を羽根車に運転時に安定的に接触させるように
し、また羽根車の低粘性流体との接触面積を大きく保つ
ようにして、流体摩擦による損失を根本的に低減するこ
とができ、小型ポンプの高効率化を低コストで実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１におけるポンプの構造図

【図２】（ａ）本発明の実施の形態２におけるポンプの
構造図 （ｂ）本発明の実施の形態２におけるポンプの部分拡大
断面図

【図３】本発明の実施の形態３におけるポンプの構造図

【図４】本発明の実施の形態４におけるポンプの構造図

【図５】本発明の実施の形態５におけるポンプの構造図

【図６】本発明の実施の形態５におけるポンプの部分拡
大断面図

【図７】従来のポンプの構造図

【符号の説明】

１ 羽根車 ２ 軸 ３ 軸受 ４ ケーシング ５ 後面シュラウド ６ 気体溜まり領域 ７ リブ ８ 気体供給手段 ９ リブ形状部材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体に運動エネルギーを与える羽根車と、
   前記羽根車を収納するケーシングと、前記羽根車が回転
   する軸および軸受と、前記羽根車の後面シュラウドとを
   備えたポンプであって、後面シュラウドをラッパ状にし
   てその開口側を下方に向け、このラッパ状の凹部に気体
   が溜まるようにしたことを特徴とするポンプ。
2. 【請求項２】前記後面シュラウドの開口部の周方向にリ
   ブを突設したことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
3. 【請求項３】前記後面シュラウドの内部に気体を供給す
   る気体供給手段を備えたこと特徴とする請求項１または
   ２記載のポンプ。
4. 【請求項４】前記軸を前記羽根車側に固定とし、前記軸
   受を前記ケーシング側に固定することを特徴とする請求
   項１〜３のいずれかに記載のポンプ。
5. 【請求項５】前記後面シュラウドの内部に、前記軸を含
   む断面の形状が前記後面シュラウドの形状を概略オフセ
   ットした形状となっている部分を有する前記軸もしくは
   軸受の収納部が構成され、その収納部と前記ケーシング
   が占有体積の小なる部分を介して結合されていることを
   特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のポンプ。