JP2009156038A

JP2009156038A - 液封式ポンプ

Info

Publication number: JP2009156038A
Application number: JP2007331886A
Authority: JP
Inventors: Naoki Endo; 尚樹遠藤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-25
Also published as: JP5142263B2

Abstract

【課題】本発明は、液封式ポンプの頂部における摩擦を減少させるとともに、吸入量あるいは吐出量あたりの液封式ポンプの容積を小さくして封液の容量を減少させ、頂部と反対側において液面から羽根先端が離れることを防止し、駆動する動力の低減を図ることを目的とする。
【解決手段】ケーシングの内部に封じた液体を羽根車で回転させることにより生じる封液環と、羽根車の羽根間に形成される空間のピストン作用により気体の吸入および圧縮を行う液封式ポンプにおいて、ケーシングと羽根車が最接近する頂部側におけるケーシングの曲率中心を羽根車中心方向に移すことにより羽根車先端との隙間を大きく形成することを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、円筒形のケーシングと複数の羽根枚数を持つ羽根車を有し、羽根車の回転によって生じる封液環により気体の吸入及び圧縮を行う液封式ポンプに関する。

図６(ａ)，(ｂ)は、従来の液封式ポンプの一例を示す図である。この従来の液封式ポンプは、円筒形のケーシング１と、その内部に偏心して取り付けられた多数の羽根４ａを有する羽根車４と、羽根車４の側方に設けられた吸気ポート８及び吐出ポート９を備えた構成を有している（例えば、特許文献１参照）。

この液封式ポンプにおいては、予めケーシング１の内部に注入された液体（封液）１３が、羽根車４により、図６(ａ)の矢印Ｒで示す方向に回転し、遠心力でケーシング１の内壁に押し付けられるよう回転することにより、封液環Ｌが形成されるとともに、羽根車４の羽根４ａと、封液環Ｌの気液境界面１０に囲まれた気室Ｇが形成される。そして、この気室Ｇは、ケーシング１と羽根車４の中心が偏っていることから、羽根車４が一回転する間に拡大、縮小することになる。

羽根車４の側方（軸方向片側あるいは軸方向両側）に設けられた仕切板３には、吸気ポート８及び吐出ポート９が配設されており、吸気ポート８は気室Ｇが拡大する位相、吐出ポート９は気室Ｇが縮小する位相にあって、それぞれ外部の吸気口、吐出口に連通している。そして、気室Ｇの拡大に伴い、外部の気体が吸気ポート８より吸入され、気液境界面１０のピストン作用により圧縮昇圧された後、吐出ポート９からケーシング１の外部に吐き出される。上記の一連の動作により、気体が吸入・圧縮され、ポンプとしての機能が発揮されることになる。

特開２００２−３３２９７８号公報

（１）液封式ポンプのケーシング内では、羽根車が回転することによって封液も回転しながら、羽根車のボス面から離れ、また再びボス面に近づき、これに再付着する。
羽根とボス面と液面に囲まれた空間が拡大縮小することによって、吸入、圧縮が行われる。ここで、羽根車と一緒に回転する封液と静止したケーシングとの間の摩擦のために、動力の損失が生じる。
（２）運転条件によっては、頂部と反対側（ケーシングと羽根車の羽根が最も離れる位置およびこの近辺）において液面から羽根先端が離れ、二つ（あるいはさらに多く）の作動空間がつながり、封量が低下することが生じる。

本発明は、液封式ポンプの頂部側における封液とケーシングとの間の隙間を大きくしてこの部における摩擦を減少させるとともに、頂部と反対側のケーシングの径を小さくすることにより、頂部と反対側において液面から羽根先端が離れることを防止し、駆動する動力の低減を図ることを目的とするものである。
また、本発明は、液封式ポンプのケーシング内面の径を軸方向の中央部において両端部より小さく形成して羽根先端が封液環から離れることを防止することを目的とするものである。
なお、本明細書において、「液封式ポンプの頂部」とは、「ケーシングと羽根車の羽根が最も接近する位置およびその近辺」を、「液封式ポンプの頂部側」とは、「ケーシングと羽根車の羽根が最も接近する位置を中心として±９０°の範囲内の部分」を、また、「液封式ポンプの頂部と反対側」とは、「ケーシングと羽根車の羽根が最も離れる位置を中心として±９０°の範囲内の部分」をいう。

（１）上記目的を達成するため本発明の液封式ポンプは、略円筒形のケーシングと、その内部に偏心して取り付けられた複数の羽根を有する羽根車と、羽根車側方に設けられた、外部から気体を吸引する吸気ポート及びケーシング内の気体の一部を吐き出す吐出ポートを備え、ケーシングの内部に封じた液体を羽根車で回転させることにより生じる封液環が、羽根車の羽根間に形成される空間に対して働くピストン作用により気体の吸入および圧縮を行う液封式ポンプにおいて、液封式ポンプの頂部側におけるケーシングの曲率中心を羽根車中心方向に移すことにより羽根車先端との隙間を大きく形成することを特徴としている。
（２）また、本発明の液封式ポンプは、上記（１）において、液封式ポンプの頂部側におけるケーシングの曲率中心が複数存在することを特徴としている。
（３）また、本発明の液封式ポンプは、略円筒形のケーシングと、その内部に偏心して取り付けられた複数の羽根を有する羽根車と、羽根車側方に設けられた、外部から気体を吸引する吸気ポート及びケーシング内の気体の一部を吐き出す吐出ポートを備え、ケーシングの内部に封じた液体を羽根車で回転させることにより生じる封液環が、羽根車の羽根間に形成される空間に対して働くピストン作用により気体の吸入および圧縮を行う液封式ポンプにおいて、液封式ポンプの頂部と反対側におけるケーシングの曲率中心を羽根車中心方向に移すことにより羽根車先端との距離を狭く形成することを特徴としている。
（４）また、本発明の液封式ポンプは、上記（３）において、液封式ポンプの頂部と反対側におけるケーシングの曲率中心が複数存在することを特徴としている。
（５）また、本発明の液封式ポンプは、略円筒形のケーシングと、その内部に偏心して取り付けられた複数の羽根を有する羽根車と、羽根車側方に設けられた、外部から気体を吸引する吸気ポート及びケーシング内の気体の一部を吐き出す吐出ポートを備え、ケーシングの内部に封じた液体を羽根車で回転させることにより生じる封液環が、羽根車の羽根間に形成される空間に対して働くピストン作用により気体の吸入および圧縮を行う液封式ポンプにおいて、ケーシング内面の径を軸方向の中央部において両端部より小さく形成することを特徴としている。

本発明の液封式ポンプは、以下のような優れた効果を奏する。
（１）液封式ポンプの頂部側におけるケーシングと羽根車先端との隙間を大きく形成することにより、封液のケーシングとの摩擦が小さくなり、液封式ポンプを駆動する動力を小さくすることができる。
（２）液封式ポンプの頂部と反対側におけるケーシングと羽根車先端との距離を狭くするように形成することにより、液面から羽根先端が離れることを防止できる。
（３）液封式ポンプのケーシング内面の径を軸方向の中央部において両端部より小さく形成することにより、封液が付着する両端部壁面とは異なり速度が速いため封液環の深さが薄くなり、羽根先端が封液環から離れやすくなることを防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明の液封式ポンプの実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

図１は、本発明の実施の形態に係る液封式ポンプを説明するための比較例の要部断面図である。
液封式ポンプには、円筒形のケーシング２０内に羽根車２１が偏心して設けられ、該羽根車２１は矢印Ｒ方向に回転する。また、ケーシング２０の内部には、吸気ポート２２及び吐出ポート２３が備えられている。
図１において、点ａは略円筒形のケーシング２０の中心位置を示すもので、外側の破線２６は点ａを中心とする直径Ｄの円であって、羽根車とケーシングが再接近する頂部で羽根車とケーシングが接する場合のケーシングを示している。また、点ｂは羽根車２１の中心位置を示しており、内側の破線２７は点ｂを中心とする直径ｄの円である。

この液封式ポンプにおいては、予めケーシング２０の内部に注入された液体（封液）２４が、羽根車２１により、矢印Ｒで示す方向に回転し、遠心力でケーシング２０の内壁に押し付けられるよう回転することにより、封液環が形成されるとともに、羽根車２１の羽根２１ａと、封液環の気液境界面２５に囲まれた気室Ｇが形成される。そして、この気室Ｇは、ケーシング２０と羽根車２１の中心が偏っていることから、羽根車２１が一回転する間に拡大、縮小することになる。

また、羽根車２１の側板（軸方向両側）に配設された吸気ポート２２は気室Ｇが拡大する位相、吐出ポート２３は気室Ｇが縮小する位相にあって、それぞれ外部の吸気口、吐出口に連通している。そして、気室Ｇの拡大に伴い、外部の気体が吸気ポート２３より吸入され、気液境界面２５のピストン作用により圧縮昇圧された後、吐出ポート２３からケーシング２０の外部に吐き出される。上記の一連の動作により、流体が吸入・吐出され、ポンプとしての機能が発揮されることになる。

液封式ポンプの頂部におけるケーシング２０と羽根車２１の先端との隙間は、外側の破線２６で示される本来のケーシングにあってはかなり小さい。このため、封液２４のケーシング２０との摩擦が大きくなり、液封式ポンプを駆動する動力消費が増大する。
そこで、図１に示すように、ケーシング２０の径を大きくすれば、頂部におけるケーシング２０と羽根車２１の先端との隙間ｄｌが大きくなり、封液２４のケーシング２０との摩擦を小さくすることができる。
しかしながら、図１に示すように、ケーシング２０の径を単純に大きくすると、その分だけ封液２４の量が増大し、液封式ポンプを駆動する動力が大きくなる。

そこで、本発明は、図２に示すように、ケーシング２０と羽根車２１が最接近する頂部におけるケーシング２０ａの曲率中心ｃを羽根車２１中心ｂ方向にδだけ移すことにより羽根車２１の先端との隙間ｄｌを大きく形成する。この場合、頂部におけるケーシング２０ａと頂部と反対側におけるケーシング２０ｂの半径Ｒは同一であり、その交叉部は、滑らかに接続される。曲率中心ｃを中心とするケーシング２０ａの範囲は、上記δの大きさに影響されるが、最小で液封式ポンプの頂部の範囲、最大でケーシング２０と羽根車２１が最接近する位置を中心として±９０°の範囲である。
図２において、図１と同じ符号は同じ部材を意味しており、外側の破線２６は羽根車とケーシングが再接近する頂部で羽根車とケーシングが接する場合のケーシングの位置を示す。
封液２４のケーシング２０内面との摩擦は頂部付近において特に大きいが、頂部におけるケーシング２０内面と羽根車２１の先端との隙間ｄｌを大きく形成することにより、摩擦を減らすことができる。

図２に示す例では、頂部におけるケーシング２０ａの曲率中心ｃは１つであり、点ｃを中心とする１つの半径Ｒの曲線により形成されているが、曲率中心ｃを、例えば、点ａと点ｂの間で適宜移動させて複数設定し、これらの曲率中心に合わせて曲率半径も変化させ、連続的な曲線を形成するようにしても良い。

図３は、ケーシング２０と羽根車２１が最接近する頂部と反対側におけるケーシング２０ｂの曲率中心ｃを羽根車２１中心ｂ方向にδだけ移すことにより羽根車２１の先端との距離を狭く形成した状態を示している。この場合、頂部におけるケーシング２０と頂部と反対側におけるケーシング２０ｂの半径Ｒは同一であり、その交叉部は、滑らかに接続される。曲率中心ｃを中心とするケーシング２０ｂの範囲は、上記δの大きさに影響されるが、ケーシングと羽根車の羽根が最も離れる位置を中心として±９０°の範囲内の部分（すなわち、「液封式ポンプの頂部と反対側」）、例えば、ケーシングと羽根車の羽根が最も離れる位置を中心として±６０°〜９０°の範囲が望ましい。
図３において、図１と同じ符号は同じ部材を意味しており、外側の破線２６は従来のケーシングの位置を示す。
液封式ポンプのケーシング２０と羽根車２１が最接近する頂部と反対側におけるケーシング２０ｂと羽根車２１先端との距離を狭くするように形成することにより、液面２５から羽根２１ａ先端が離れることを防止できる。

図３に示す例では、頂部と反対側におけるケーシング２０ｂの曲率中心ｃは１つであり、点ｃを中心とする１つの半径Ｒの曲線により形成されているが、曲率中心ｃを、例えば、点ａと点ｂの間で適宜移動させて複数設定し、これらの曲率中心に合わせて曲率半径も変化させ、連続的な曲線を形成するようにしても良い。

図４は、図２および図３に示す液封式ポンプにおいて、半径方向の長さの短い羽根２１ｓを長い羽根２１ａと交互に設けた例を示すものである。
図４において、図１と同じ符号は同じ部材を意味している。

液封式ポンプは、図６に示すように、羽根車４の側方（軸方向片側あるいは軸方向両側）に仕切板３が設けられ、該仕切板３に吸気ポート８及び吐出ポート９が配設される。
本発明においても、予めケーシング２０の内部に注入された液体（封液）２４が、羽根車２１により回転され、遠心力でケーシング２０の内壁に押し付けられるよう回転することにより、封液環が形成される。この際、軸方向両側の仕切板に接触する封液には、仕切板壁面に付着する力が作用する。このため、気液境界面２５の軸方向における形状は、軸方向中央部において径が大きく、軸方向両側において径が小さいものとなる。
図５は、ケーシング２０内面の径を軸方向中央部において両端部より小さく形成した状態を示すもので、上方が液封式ポンプの頂部を示している。この例では、図（ａ）に示す形状のように、軸方向中央部の径が最小になるようにケーシング２０内面にライナー３０を固着するもので、ライナー３０は、図（ｂ）に示すように、液封式ポンプの頂部と反対側に三日月状に施されている。ライナー３０を施す代わりにケーシング２０自体の形状をこのように形成しても良い。このような形状とすることにより、気液境界面２５は羽根先端が封液環から離れないように形成される。

本発明は、食品，化学・石油，パルプ工業（真空排気，濃縮，蒸留，乾燥，引火性物質の圧縮・送気）その他電気・電子，土木・建築，鉄鋼・冶金，医薬・医療等の産業分野に利用可能である。

比較例の要部断面図である。本発明の実施の形態に係る液封式ポンプの一例を説明するための要部断面図である。本発明の実施の形態に係る液封式ポンプの他の例を説明するための要部断面図である。本発明の実施の形態に係る液封式ポンプの他の例を説明するための要部断面図である。本発明の実施の形態に係る液封式ポンプの他の例を説明するための要部断面図である。従来の液封式ポンプの一例を示す図である。

符号の説明

２０ケーシング
２１羽根車
２１ａ羽根
２１ｓ短い羽根
２２吸気ポート
２３吐出ポート
２４液体（封液）
２５気液境界面
２６外側の破線
２７内側の破線
２８ボス部
３０ライナー
Ｇ気室

Claims

略円筒形のケーシングと、その内部に偏心して取り付けられた複数の羽根を有する羽根車と、羽根車側方に設けられた、外部から気体を吸引する吸気ポート及びケーシング内の気体の一部を吐き出す吐出ポートを備え、ケーシングの内部に封じた液体を羽根車で回転させることにより生じる封液環が、羽根車の羽根間に形成される空間に対して働くピストン作用により気体の吸入および圧縮を行う液封式ポンプにおいて、液封式ポンプの頂部側におけるケーシングの曲率中心を羽根車中心方向に移すことにより羽根車先端との隙間を大きく形成することを特徴とする液封式ポンプ。
液封式ポンプの頂部側におけるケーシングの曲率中心が複数存在することを特徴とする請求項１記載の液封式ポンプ。
略円筒形のケーシングと、その内部に偏心して取り付けられた複数の羽根を有する羽根車と、羽根車側方に設けられた、外部から気体を吸引する吸気ポート及びケーシング内の気体の一部を吐き出す吐出ポートを備え、ケーシングの内部に封じた液体を羽根車で回転させることにより生じる封液環が、羽根車の羽根間に形成される空間に対して働くピストン作用により気体の吸入および圧縮を行う液封式ポンプにおいて、液封式ポンプの頂部と反対側におけるケーシングの曲率中心を羽根車中心方向に移すことにより羽根車先端との距離を狭く形成することを特徴とする液封式ポンプ。
液封式ポンプの頂部と反対側におけるケーシングの曲率中心が複数存在することを特徴とする請求項３記載の液封式ポンプ。
略円筒形のケーシングと、その内部に偏心して取り付けられた複数の羽根を有する羽根車と、羽根車側方に設けられた、外部から気体を吸引する吸気ポート及びケーシング内の気体の一部を吐き出す吐出ポートを備え、ケーシングの内部に封じた液体を羽根車で回転させることにより生じる封液環が、羽根車の羽根間に形成される空間に対して働くピストン作用により気体の吸入および圧縮を行う液封式ポンプにおいて、ケーシング内面の径を軸方向の中央部において両端部より小さく形成することを特徴とする液封式ポンプ。