JP2010031807A - ポンプ用羽根車及びそれを備えたポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】流体中での駆動回転時には、羽根の配置に起因して径方向の内方に向かう方向の流体力が所定の周方向位置において作用することにより、回転中心軸に対し非対称な力を受けるポンプ用の羽根車６として、空気中における機械的バランスと、流体中における水力的バランスとの双方を両立させる。
【解決手段】羽根車本体６１に、流体中においては、その内部に当該流体が充填される充填空間６１１を形成する。羽根車本体６１が流体中で駆動回転しているときには、充填空間６１１内に充填されている流体に作用する遠心力によって、羽根車本体６１１に作用する流体力が打ち消される。
【選択図】図５

Description

本発明は、ポンプ用羽根車及びそれを備えたポンプに関する。

従来より、汚水等の搬送に好適なポンプとして遠心ポンプが用いられており、この遠心ポンプが有する羽根車のうち、夾雑物等の固形物を含んだ汚水等に対しても詰まりが生じにくい羽根車として、その内部に、一端面に開口する入口と周面に開口する出口とを繋ぐ流路が、一枚羽根によって形成された羽根車が知られている（例えば、特許文献１参照）。

こうした一枚羽根の羽根車は、回転中心軸に対して非軸対称な形状になってしまう。そのため、この特許文献１に開示された羽根車では、静止時における静的バランスや、空気中（気中）回転時における動的バランス（以下、これらを総称して機械的バランスという）を得るために、窪みを形成している（徐肉している）。こうした空気中での機械的バランスは、ポンプ設置時の確認試験の際や、無負荷運転となってしまった際（例えば圧送流体がないにも拘わらず、誤ってポンプが起動してしまった際等）において、ポンプが損傷することを防止する上で必要である。
特開２００７−２５５３２４号公報

一方で、こうした羽根車は、流体中での駆動回転時（つまり、ポンプの実際の駆動時）には、吸込負圧に起因して流体から径方向の内方に向かう力を受ける（以下、この力を流体力とも言う）ことになるが、前記特許文献１に開示されているような一枚羽根の羽根車では、その流体力が回転中心軸に対して非対称に作用することになるため、流体中での駆動回転時におけるバランス（水力的バランス）を確保する必要がある。そのために前記特許文献１に開示されている羽根車では、フランジ部に、水力的バランスを得るための質量部を設けるようにしている。

しかしながら、こうした質量部を設けた場合には、今度は、空気中における機械的バランスが崩れることにもなってしまうため、特許文献１に開示されている羽根車は、空気中における機械的バランスと流体中における水力的バランスとを両立させることが難しいという不都合がある。

特に、羽根車の効率を向上させることによって、その吸込負圧が大きくなった場合には、羽根車に作用する流体力も相対的に大きくなり、水力的バランスが大きく崩れることになる。この場合において、水力的バランスが得られるように羽根車に対して比較的大きい質量部を設けたのでは、今度は、機械的バランスが大きく崩れることになる。このため、羽根車の効率が高くなればなるほど、機械的バランスと流体中における水力的バランスとを両立させることが難しくなってしまうという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ポンプ用の羽根車として、空気中における機械的バランスと、流体中における水力的バランスとの双方を両立させることにある。

本発明の一側面によると、ポンプ用羽根車は、回転中心軸を中心として回転する羽根車本体と、前記羽根車本体に設けられた羽根と、を備え、前記羽根車本体は、流体中での駆動回転時には、前記羽根の配置に起因して径方向の内方に向かう方向の流体力が所定の周方向位置において作用することにより、前記回転中心軸に対し非軸対称な力を受け、前記羽根車本体には、流体中においては、その内部に当該流体が充填される充填空間が形成されていて、前記羽根車本体が前記流体中で駆動回転しているときには、前記充填空間内に充填されている流体に作用する遠心力によって、前記羽根車本体に作用する前記流体力が打ち消されるように構成されている。

この構成によると、羽根車本体には、羽根の配置に起因して回転中心軸に対し非軸対称に流体力が作用するが、この羽根車本体には充填空間が形成されており、羽根車本体を流体中で駆動回転させたときには、その充填空間内に充填されている流体に作用する遠心力によって、前記の流体力が打ち消されるようになる。こうして、羽根車を流体中で駆動回転させているときのバランス（水力的バランス）が得られるようになる。

一方、この羽根車本体を空気中に置いて回転させたときには、前記充填空間内の流体を無くしてその空間内を空にする。この空の状態において、羽根車本体の静的バランスや、動的バランスが得られるようにしておくことにより、空気中における機械的バランスも得ることができる。

従って、この羽根車では、空気中においては充填空間内を空にし、流体中においては充填空間内に流体を充填させることによって、空気中における機械的バランスと流体中における水力的バランスとの双方が両立する。

前記充填空間は、前記羽根車本体における前記回転中心軸を挟んだ一側及び他側の内、前記流体力が作用する側に設けられている、とすればよい。

こうすることによって、羽根車本体に対し径方向の内方に向かう方向に作用する流体力と、充填空間内の流体に対し径方向の外方に向かう方向に作用する遠心力とが互いに逆向きになり、２つの力が打ち消し合って、流体中における水力的バランスが達成される。

前記充填空間は、前記回転中心軸を囲むように周方向に延びて設けられており、前記羽根車本体には、前記充填空間の周方向の角度範囲が所定の範囲となるように区画する区画壁が形成されている、とすればよい。

こうすることで、羽根車本体に対して、周方向の必要な角度範囲に亘って、充填空間内の流体（つまり遠心力が作用する質量）を配置することが可能になり、流体中における水力的バランスを達成することが実現し得る。

前記充填空間の角度範囲は、１８０°よりも大に設定されている、としてもよい。

羽根車本体に対して作用する流体力の角度位置が、常に同じ位置で変化しないときには、羽根車本体における前記回転中心軸を挟んだ一側及び他側の内、前記流体力が作用する側において、その角度範囲が例えば１８０°となるように充填空間を形成すればよい。こうすることによって、充填空間内に充填されている流体に作用する遠心力の方向と、流体力の方向とが互いに逆向きになり、流体力を確実に打ち消すことが可能になる。

しかしながら、羽根車が取り付けられたポンプにおいて吐出流量が変化するに伴い、羽根車本体に作用する流体力の角度位置は変化する。このため、充填空間が形成される角度範囲を１８０°よりも大きくして、流体が充填される角度範囲を広げることにより、流体力の作用する角度位置が変化した場合でも、その流体力を打ち消し得る方向の遠心力が発生し得る。つまり、充填空間が形成される角度範囲を１８０°よりも大きくすることは、ポンプの広い流量範囲に亘って、羽根車本体の流体中の水力的バランスを達成する上で有利になる。

前記羽根車本体は、径方向の内方に向かう方向の流体力が、前記回転中心軸に対し非対称に作用するのであれば、その形態（例えば羽根の枚数や、ノンクロッグ型といった、羽根車の型式等）は、特に限定されるものではないが、前記羽根車本体は、前記回転中心軸方向に相対する一端面及び他端面、並びに当該一端面と他端面との間の周面を含んだ略円筒形状を有しており、前記羽根は、前記一端面に開口する入口と前記周面に開口する出口とを繋ぐ内部流路が形成されるように設けられた一枚羽根で構成されている、としてもよい。

こうした一枚羽根の羽根車は、空気中における機械的バランスが得られない上に、流体力が非軸対称に作用するため、そのままでは機械的バランス及び流体中の水力的バランスを両立させることができないものの、本構成の羽根車は、充填空間を設けることによって、空気中の機械的バランス及び流体中の水力的バランスを両立させることができるため、特に有効である。

前記充填空間は、前記羽根車本体に対し、前記他端面に開口すると共に、前記回転中心軸方向に凹陥して形成されており、前記羽根車本体の前記他端面に取り付けられることによって、前記充填空間の開口を閉塞する蓋体をさらに備え、前記蓋体には、前記充填空間に連通すると共に、流体中においては当該充填空間に流体を流入させる一方、空気中においては前記充填空間内の流体を排出させる貫通孔が形成されている、としてもよい。

充填空間の開口を羽根車本体の他端面にそのまま露出させていると、流体の乱れによる動力損失が増大してしまうことと、充填空間内に流体を留めて安定的に遠心力を発生させることが難しいこととから、蓋体を取り付けて羽根車本体の他端面を平坦にすることが望ましい。

一方で、充填空間の開口を蓋体によって閉塞させていても、蓋体に貫通孔を形成していることによって、流体中においては貫通孔を通じて充填空間内に流体を流入する一方、空気中においては貫通孔を通じて充填空間内の流体を排出することが可能になる。

本発明の他の側面によると、ポンプは、前記のポンプ用羽根車と、前記ポンプ用羽根車を収容するケーシングと、前記ポンプ用羽根車を回転駆動させる駆動源と、を備えている。この構成によると、羽根車の、空気中における機械的バランスと流体中における水力的バランスとを両立させることができる。

以上説明したように、本発明によると、羽根車本体に充填空間を形成して、流体中においてはその充填空間内に流体が充填されるようにすることで、充填空間内の流体に作用する遠心力によって、羽根車本体に対し非軸対称に作用する流体力を打ち消すことができる一方、空気中においては、その充填空間内を空にすることによって、機械的バランスを得ることができ、空気中の機械的バランスと流体中の水力的バランスとの双方を両立させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る羽根車を備えた水中ポンプ１を示している。この水中ポンプ１は、羽根車６を有するポンプ部２１と、該羽根車６を駆動するモータ３を有するモータ部２２と、を備えている。水中ポンプ１は、オイルケーシング２３を挟んだ下側にポンプ部２１を、その上側にモータ部２２をそれぞれ配置することによって、ポンプ部２１及びモータ部２２が上下方向に並んで配置されて構成されている。尚、この水中ポンプ１は、後述するヘッドカバー３４やポンプケーシング４が、所定の樹脂材料によって形成された軽量タイプとなっている。

モータ部２２は、ステータ３１及びロータ３２からなる前記モータ３と、該モータ３のステータ３１を覆うステータケーシング３３と、ステータケーシング３３の上端に取り付けられるヘッドカバー３４と、を備えている。モータ３の回転軸３５は、上下方向に延びて配設されている。

ステータケーシング３３は、両端開口の略円筒型に形成されている。ステータケーシング３３の上端開口は、モータカバー３６によって閉塞されており、このモータカバー３６の下面には、回転軸３５の上端部を回転可能に支持する軸受３５ａが取り付けられている。

ヘッドカバー３４は、ステータケーシング３３の上端に対して取り付けられている。ヘッドカバー３４は、上壁と、この上壁の周縁部から下方に延びてステータケーシング３３の上端部に固定される周壁とを含み、横断面形状が逆Ｕ字状に形成されている。これによってヘッドカバー３４は、その内部に、前記モータカバー３６と共に各種の電気部品を収容するための収容空間３４ａを形成するようになっている。ヘッドカバー３４の上壁には、モータ３に給電する給電ケーブルが挿通されるケーブルブーツが貫通して取り付けられていると共に、その上面の中央部には、ハンドル３４ｂが形成されている。

このヘッドカバー３４は、周方向に所定の間隔を開けて配置された複数のボルト３７（図例では一つのみ示す）によって、オイルケーシング２３に対し固定されている。つまり、ヘッドカバー３４の周縁部に形成された貫通孔を通過した前記ボルト３７は、前記モータカバー３６を貫通すると共に、ステータケーシング３３の内周面に沿って下向きに延びて、オイルケーシング２３の周縁部に対して螺合している。こうして、この水中ポンプ１では、上下方向に延びる長尺のボルト３７によって、ヘッドカバー３４、ステータケーシング３３、及びモータカバー３６のそれぞれをオイルケーシング２３に対して一度に固定するようにしており、これによって、この水中ポンプ１では、部品点数の低減化及び組み立て工数の低減化が図られている。

オイルケーシング２３は、ステータケーシング３３の下端に取り付けられており、このオイルケーシング２３によってステータケーシング３３の下端開口が閉塞されている。

オイルケーシング２３は、その下側にポンプケーシング４が取り付けられることによって、このポンプケーシング４と共に、潤滑油が充填される油室５３を区画形成するケーシングであって、モータ３の回転軸３５が内挿される貫通孔が形成されていると共に、その上面には、回転軸３５の中間部を回転可能に支持する軸受３５ｂが取り付けられている。

オイルケーシング２３及びポンプケーシング４によって区画形成される油室５３内では、回転軸３５がメカニカルシール５１によって軸封されていると共に、メカニカルシール５１の外周囲の略全周を囲む環状壁５２が設けられている。

ポンプ部２１は、モータ３の回転軸３５の下端に取り付けられた羽根車６を備えると共に、ポンプケーシング４を備えている。

この水中ポンプ１は遠心ポンプであり、そのポンプケーシング４は、オイルケーシング２３と共に油室５３を区画形成する上側の第１ポンプケーシング４１と下側の第２ポンプケーシング４２とが、溶着により一体化されることで構成されている。このように第１ポンプケーシング４１と第２ポンプケーシング４２とを溶着により一体化することで、例えばボルト・ナットの締結手段により２つのポンプケーシングを一体化する場合に必要となるフランジが不要となり、水中ポンプ１の小型化が実現する。

ポンプケーシング４の上部には、回転軸３５が内挿される貫通孔が形成されていると共に、その内部に羽根車６を収容する渦形室４３が形成されている。

また、ポンプケーシング４の下部は、下方に向かって開口しており、この開口に対して、羽根車６の下端部であるウェアリング部６９２を支持するための開口４４ａを有するライナリング４４が取り付けられている。

一方、ポンプケーシング４の側部には、側方に突出すると共に、上向きに湾曲する吐出部４５が一体に形成されている。この吐出部４５は、渦形室４３に連通していると共に、上向きに開口する吐出口４５ａが形成されている。吐出口４５ａは、図示省略の排出管に連結されることになる。

そうして、ポンプケーシング４の下部には、下向きに延びる４つの脚部４６（図１では３つのみ示す）が所定の配置で配設されており、この各脚部４６の下端は、スタンド７に対して取付固定されている。

スタンド７は、合成樹脂製の本体部７１と、この本体部７１の下側を覆うゴム製のカバー７２とを備えて構成されており、本体部７１には、前記各脚部４６の下端が内挿されてビス止めされる差込部７３が上向きに突出して一体に形成されている。各脚部４６の下面と差込部７３との間には、制振ゴム又は制振鋼板７４が介設されており、これにより、このスタンド７は、前記カバー７２による水中ポンプ１の設置位置のずれを防止する機能と、前記制振ゴム又は制振鋼板７４による水中ポンプ１駆動時の制振機能との双方の機能を果たすことになる。

羽根車６は、本実施形態では、図２〜６に示すように、略円筒形状を有するノンクロッグ型の羽根車であって、その筒軸と回転軸３５とが同軸となるように、回転軸３５の下端に対して固定されている（図１参照）。羽根車６は、羽根車本体６１と、この羽根車本体６１の上端面に取り付けられる蓋体６２と備えて構成されている。また、羽根車６は、主に空気中での機械的バランスを得るために、上側バランスウエイト６３と下側バランスウエイト６４とを備えている。詳しくは後述するが、図５に示すように、上側バランスウエイト６３は、羽根車本体６１と蓋体６２との間に配置固定され、下側バランスウエイト６４は、羽根車本体６１のウェアリング部６９２に埋設されている。さらに、羽根車６は、詳しくは後述するが、主に流体中での水力的バランスを得るために、その羽根車本体６１に凹陥部６１１（充填空間）を形成している。

羽根車本体６１は、略円筒状を有しており、その下端面には、下向きに開口する入口６０１が形成されている一方、その周面における所定の位置には、側方に向かって開口する出口６０２が形成されている。そうして、羽根車６の内部には筒軸方向に延びる内部流路６０３が形成されており、この内部流路６０３によって入口６０１と出口６０２とが互いに繋がっている。

羽根車本体６１の外周面には、径方向の内方に窪んだ外部流路６０４が形成されている。この外部流路６０４は、筒軸方向に延びる流路ではなく、その流路中心は羽根車本体６１の筒軸と直交する直交面上に位置している。外部流路６０４は、出口６０２において内部流路６０３の下流側と連続していて、羽根車６のおおよそ１周の長さにわたって周回している。

この外部流路６０４は羽根６０５によって区画されている。この羽根６０５は、いわゆる半径流形の一枚羽根（遠心羽根）であり、この遠心羽根６０５によって、外部流路６０４内の水が昇圧されて外周側（径方向外側）に吐出される。尚、羽根６０５は、その内周側において、内部流路６０３を区画することにもなる。

羽根車本体６１において外部流路６０４よりも上側には、全周にわたって径方向の外方に突出した第１フランジ部６８１が形成されている。また、外部流路６０４よりも下側には、同じく全周にわたって径方向の外方に突出した第２フランジ部６８２が形成されている。第２フランジ部６８２は、羽根車６における、入口６０１が形成された下側部分と、出口６０２が形成された上側部分とを上下に仕切っている。すなわち、この羽根車６は、入口６０１と出口６０２との間が第２フランジ部６８２で仕切られたクローズドタイプの羽根車である。

そうして、第１フランジ部６８１よりも上側である羽根車本体６１の上端面には、その中心位置に、モータ３の回転軸３５が内挿されて固定される取付孔が形成された軸支持部６９１が、上方に突出して形成されている。この軸支持部６９１は、所定の金属材料によって構成されている。また、羽根車本体６１において第２フランジ部６８２よりも下側には、前記ポンプケーシング４の開口４４ａ内に内挿されるウェアリング部６９２が、下方に向かって突出するように形成されている。

ここで、この羽根車本体６１は、水中ポンプ１の動力低減の観点から、その径が可及的に小さくなるように、第１及び第２フランジ部６８１，６８２の径が小さく設定されており、これによって、図３や図５，６に示すように、第２フランジ部６８２とウェアリング部６９２との間の段差はほとんど生じていないデザインとなっている。尚、例えばこの段差が無くなるように、第１及び第２フランジ部６８１，６８２の径をさらに縮小させてもよい。逆に、入口６０１の径が大きくなるようにウェアリング部６９２の径を拡大することによって、第２フランジ部６８２とウェアリング部６９２との間の段差を無くしてもよい。

このようにして内部流路６０３及び外部流路６０４が構成された本実施形態に係る羽根車６は、従来に比べて高効率化が図られている。

この羽根車本体６１にはまた、図５〜７に示すように、羽根車本体６１の上端面から筒軸方向に凹陥する凹陥部６１１が形成されている。この凹陥部６１１は、羽根車本体６１の上端面において、筒軸を囲むように周方向の全周に亘って拡がっている。また、この凹陥部６１１は、図５，６に示すように、出口６０２の開口側（図５における右側）は相対的に深さが浅く、その出口６０２の開口側とは逆側（図５における左側）は相対的に深さが深くなるように構成されている。この凹陥部６１１は、羽根車６が水没した状態では、その内部に流体が充填される充填空間として機能する。

この羽根車本体６１における上端部にはまた、径方向に拡がることで軸支持部６９１と羽根車本体６１の周縁部とを互いに連結する補強リブ６１２が形成されている。この実施形態では、図７に示す羽根車本体６１において、出口６０２の開口側に相当する上半分の領域には、互いに所定の角度を開けて第１〜第３の３つの補強リブ６１２ａ、６１２ｂ、６１２ｃがそれぞれ形成されている一方、出口６０２の開口側とは逆側に相当する下半分の領域には、一つの補強リブ（第４補強リブ６１２ｄ）が形成されている。そうして、この４つの補強リブ６１２の内、第１及び第３補強リブ６１２ａ、６１２ｃは、周方向に延びる前記充填空間が所定の角度範囲となるように区画する区画壁として機能する。つまり、各補強リブ６１２は、例えば図５に示すように、凹陥部６１１の開口から底部まで、筒軸方向に延びて配設されており、これによって、各補強リブ６１２は、凹陥部６１１を周方向に複数の領域に区画するようになっている。そうして、複数に区画された凹陥部６１１の内、出口６０２の開口側とは逆側であって、その深さが相対的に深い凹陥部６１１の部分（第１及び第３補強リブ６１２ａ、６１２ｃ）によって区画される部分が、充填空間として機能することになる。尚、第４補強リブ６１２ｄは、羽根車本体６１の補強リブとして機能するものであって、この第４補強リブ６１２ｄによって充填空間が区画されるのではない。

こうして凹陥部６１１によって構成される充填空間は、出口６０２の開口側とは逆側の位置において、概略２４０°の角度範囲に亘って拡がることになる。

出口６０２の開口側に配設された第１〜第３の３つの補強リブ６１２ａ、６１２ｂ、６１２ｃはそれぞれ、図１１等に示すように、上側バランスウエイト６３が載置される載置部を兼用している。つまり、前記羽根車本体６１における各補強リブ６１２の上端面は、上側バランスウエイト６３が載置される載置面６１４として機能している。さらに、各補強リブ６１２における径方向の略中央位置には、上側バランスウエイト６３を固定するためのボス部６１３が形成されている。

ボス部６１３は、図１０，１１に示すように、補強リブ６１２の幅よりも大きい直径を有する、平面視で円形状を有する部分であり、その中心位置には、上向きに開口すると共に筒軸方向に延びるピン穴６１５が形成されている。また、ボス部６１３の外周面には、径方向の外方に向かって突出する３つの突起６１６が、周方向に等間隔を空けて、ボス部６１３と一体に形成されている。

上側バランスウエイト６３は、前述したように、機械的バランスを得るために羽根車本体６１に取り付けられるウエイトであり、所定の金属材料からなる。この上側バランスウエイト６３は、図１２に示すように、所定板厚の円環板状の部材を、所定の角度範囲分だけ切り出したような略扇形形状を有しており、この上側バランスウエイト６３は、径方向の幅が、筒軸方向（上下方向）の厚みに比べて大きい横型形状を有している。この上側バランスウエイト６３は、図７に示すように、羽根車本体６１における軸支持部６９１と周縁部との間に配設されるため、その内径は、軸支持部６９１の径よりも大に設定される一方、その外径は、羽根車本体６１の周縁部の径よりも小に設定される。尚、上側バランスウエイト６３の形状は、特に限定されるものではなく、羽根車本体６１と蓋体６２との間に配置されるという制約の下で、必要な重量が確保できるように適宜設定すればよい。

上側バランスウエイト６３には、３つのボス部６１３にそれぞれに対応するように、３つの孔６３１が厚み方向に貫通して形成されている。この各孔は、前記ボス部６１３に外嵌される外嵌孔６３１であり、図１０に示すように、その孔径は、前記ボス部６１３の径よりも大きくかつ、突起６１６の先端を結ぶ円の径よりも小さい径に設定されている。

そうしてこの上側バランスウエイト６３は、図１０，１１に拡大して示すように、各外嵌孔６３１がボス部６１３に対して外嵌するようにして、補強リブ６１２の載置面６１４上に載置される。それによって、羽根車本体６１の上端面における、出口６０２の開口側に、上側バランスウエイト６３が位置付けられることになる。こうして機械的バランスに関係する上側バランスウエイト６３を、充填空間として機能する部分（図７における下側の部分）に対して、回転中心軸を挟んだ逆側の位置（図７における上側の位置）に正確に位置付けることができる。また、上側バランスウエイト６３によって、出口６０２の開口側における凹陥部６１１の上端開口が覆われるようになるため、この部分に流体が流入することが抑制されるようになる。

ここで、上側バランスウエイト６３の外嵌孔６３１は、その径がボス部６１３の径よりも大きくかつ、突起６１６の先端を結ぶ円の径よりも小さい径に設定されているため、突起６１６の一部が潰れることで、外嵌孔がボス部６１３に対して外嵌されることになる。これによって、上側バランスウエイト６３のガタを無くすことができる。

前記の蓋体６２は、図８，９に示すように、円盤形状を有すると共に、その中央部には羽根車本体６１の軸支持部６９１が内挿される挿通孔６２１が形成されている。蓋体６２を羽根車本体６１の上端面に対して取り付けることによって、凹陥部６１１の開口を閉塞して、羽根車本体６１の上端面を平坦面にすることができる。このことは、流体の乱れによる動力損失の増大を防止する上で有効である。

この蓋体６２は、例えば合成樹脂製であり、その表面側は平坦面に構成される一方で、その周縁部における、出口６０２の開口に対応する側と、筒軸を挟んでそれとは逆側とのそれぞれには、周方向に所定間隔を空けて、２つの弾性係合爪６２２が、蓋体６２と一体に形成されている。各弾性係合爪６２２は、羽根車本体６１の上端部における周縁部に対し形成された係合溝６８３に対して係合する爪であり、この弾性係合爪６２２と係合溝６８３とによって、蓋体６２を羽根車本体６１に対して取付固定する係合手段が構成されている。このように、弾性係合爪６２２を係合溝６８３に対して係合させることによって、蓋体６２を羽根車本体６１に取付固定するため、組み立て作業に際し工具等は不要であり、羽根車６の組み立てが簡略化されるという利点がある。

蓋体６２の裏面には、羽根車本体６１の各ボス部６１３に対応する位置に、３つの嵌合ピン６２３が、その裏面から突出するように形成されている。この各嵌合ピン６２３は、図１１に示すように、蓋体６２を羽根車本体６１に対して取り付けたときに、各ボス部６１３に形成されたピン穴６１５に対して内嵌する。こうして、蓋体６２は、前記弾性係合爪６２２と係合溝６８３との係合に加えて、各嵌合ピン６２３がピン穴６１５に内嵌することによって、羽根車本体６１に対して、より一層安定的に取付固定されることになる。

前記蓋体６２の裏面にはさらに、上側バランスウエイト６３を押さえるための押さえ部６２４が、裏面から突出して形成されている。この押さえ部６２４は、各嵌合ピン６２３を取り囲むように環状に形成されており、これによって、図１１に示すように、蓋体６２を羽根車本体６１に取付固定したときには、押さえ部６２４の下面が、ボス部６１３の周辺部において、上側バランスウエイト６３の上面を下向きに押さえるようになる。そうして、上側バランスウエイト６３が、蓋体６２と羽根車本体６１とによって挟持されることになる。こうして、後述するように、蓋体６２を羽根車本体６１の取り付けると同時に上側バランスウエイト６３の固定が可能になるため、羽根車６の組み立て作業をより一層、容易化することができる。

この蓋体６２にはまた、出口６０２の開口側とその逆側とのそれぞれに、２つの貫通孔６２５が形成されている。この貫通孔６２５は、蓋体６２を羽根車本体６１に取り付けたときに、凹陥部６１１と連通する孔であり、これによって、羽根車６を水没させたときには（水中ポンプ１を設置したり、又、設置した水中ポンプ１に対して水位が上昇したりすることに伴う）、この貫通孔６２５を通じて凹陥部６１１内に流体が流入して、凹陥部６１１（充填空間）が流体によって充填される。このときに、充填空間として機能しない凹陥部６１１の部分（図７における上側の部分）には、前述したように、上側バランスウエイト６３が配設されていることによって、この部分に流体が流入することは抑制される。尚、凹陥部６１１内の流体に作用する遠心力の周方向に対する分布を所定の分布にする上で、本実施形態では充填空間として機能させない凹陥部６１１の部分にも流体を充填させる必要がある場合には、上側バランスウエイト６３に、蓋体の貫通孔６２５に連通する貫通孔を形成してもよい。そうして、凹陥部６１１の全周に亘って流体を充填させるようにしてもよい。

一方、羽根車６を流体中から引き上げて空気中で駆動回転させたときには、この貫通孔６２５を通じて凹陥部６１１内の流体が外部に排出されるようになる。ここで、各貫通孔６２５は、蓋体６２において可及的に径方向の外周側に、複数、配置することが好ましい。こうすることによって、凹陥部６１１内の流体を確実に外部に排出することが可能になると共に、凹陥部６１１（特に充填空間）内に流体を確実に流入させることが可能になる。尚、ここでは貫通孔６２５を、蓋体６２の中心軸に対して軸対称に配置しているが、貫通孔６２５の配置は必ずしもこれに限定されず、適宜設定すればよい。但し、蓋体６２における重量バランスを考慮して、貫通孔６２５を配置することがより好ましい。

下側バランスウエイト６４は、図３，４に示すように、羽根車本体６１の出口６０２の開口側における、ウェアリング部６９２に埋設されている。

所定の金属材料からなる下側バランスウエイト６４は、図１３等に示すように、円弧状に湾曲した板片であって、筒軸方向の高さがその径方向の厚みに比べて大きい縦型形状を有している。そうして、この下側バランスウエイト６４は、図４に示すように、その下端面が羽根車本体６１の下端面に対して露出するように、ウェアリング部６９２に対して埋め込まれている。

下側バランスウエイト６４における所定位置には、２つの貫通孔６４１が形成されており、各貫通孔６４１は、成形金型の位置決めピン８が内挿される位置決め孔として機能する。また、この下側バランスウエイト６４の下端における中央位置には、切り欠き６４２が形成されている。この切り欠き６４２によって、羽根車本体６１をモールド成形したときには、この切り欠き６４２の部分に樹脂が充填されるようになり、そのことで、図４に示すように、下側バランスウエイト６４に対し、厚み方向に横切るような抜け止め部６９４が構成されることになる。

このように下側バランスウエイト６４は、上側バランスウエイト６３とは異なり、縦型形状を有しているため、径方向に薄肉のウェアリング部６９２に埋設することが可能になる。そうして下側バランスウエイト６４を羽根車本体６１内に埋め込むことによって、第２フランジ部６８２にバランスウエイトを取り付ける必要がなくなり、羽根車６の入口６０１の径を可及的に大きくして、所定の異物通過特性を確保しつつ、第１及び第２フランジ部６８１，６８２の径を可及的に小さくして羽根車６の径を縮小することにより、水中ポンプ１の動力低減を図ることができる。

次に、羽根車本体６１の製造手順について簡単に説明する。この羽根車本体６１は、本実施形態では、合成樹脂製であるとする。先ず、金型（図示省略）内における所定位置に、軸支持部６９１と、下側バランスウエイト６４と、をそれぞれ配置する。このとき、下側バランスウエイト６４は、図１３に示すように、２つの位置決めピン８によって、周方向の位置とその傾きとが規定される。また、位置決めピン８は先端側の小径部８１と基端側の大径部８２とを有していて、その径の異なる段差位置において、下側バランスウエイト６４の径方向の位置も規定されることになる。こうして下側バランスウエイト６４を金型内の所定位置に精度良く位置付けることができるため、羽根車本体６１における薄肉のウェアリング部６９２に、下側バランスウエイト６４を確実に埋め込むことが可能になる。

そうして周知の樹脂モールド成形によって羽根車本体６１を成形する。その成形後の羽根車本体６１のウェアリング部６９２には、図２，３に示すように、前記位置決めピン８による穴６９３が形成されることになる。

次いで、成形後の羽根車本体６１の上端面に対し、別途用意した上側バランスウエイト６３を取り付ける。この上側バランスウエイト６３は、前述したように、ボス部６１３の突起６１６を潰すようにして、上側バランスウエイト６３の各外嵌孔６３１をボス部６１３に対して外嵌させるようにする。

その後、別途成形した蓋体６２を羽根車本体６１に対して取り付ける。このときに、蓋体６２の嵌合ピン６２３が羽根車本体６１のピン穴６１５に内嵌すると共に、蓋体６２の弾性係合爪６２２が弾性変形することによって、羽根車本体６１の係合溝６８３に対して係合する。こうして、蓋体６２が羽根車本体６１に対して取付固定されると同時に、蓋体６２の押さえ部６２４が、上側バランスウエイト６３を押さえるようになり、それによって、上側バランスウエイト６３の羽根車本体６１に対する取付も完了することになる。

このように羽根車６は、上側バランスウエイト６３及び下側バランスウエイト６４によって、静的及び動的なバランスが達成されているため、空気中における機械的バランスが得られており、このことにより、この構成の羽根車６を備えた水中ポンプ１を、例えばポンプ設置時の確認試験の際や、無負荷運転となってしまった際（例えば圧送流体がないにも拘わらず、誤ってポンプが起動してしまった際等）等の、空気中で駆動させたときでも振動等が生じることなく、羽根車６がスムースに回転駆動し、ポンプ１が損傷することが防止される。

そうして、この水中ポンプ１を水中に設置する、又は設置した後に水位が上昇することによって、羽根車６が水没したときには、前述したように、蓋体６２に形成された貫通孔６２５を通じて流体が凹陥部６１１内に流入し、このことによって、特に充填空間内が流体で充填されることになる。

この状態で、水中ポンプ１を駆動し、羽根車６を回転させたときには、この羽根車６に作用する流体力と、充填空間内の流体に作用する遠心力とが打ち消し合って、水力的バランスが達成されることになる。

すなわち、羽根車６の内部流路６０３に流体が吸い込まれることによる負圧に起因して、羽根車６（羽根車本体６１）には、図５，７に矢印で示すように、出口６０２の開口側とは逆側の周方向位置において、径方向の内方に向かう方向に流体力が作用することになる。

一方で、この羽根車６の充填空間内には流体が充填されているため、羽根車６の回転駆動時には、その流体に対し、径方向の外方に向かう方向に遠心力が作用することになる。凹陥部６１１からなる充填空間が、前述したように、出口６０２の開口側とは逆側に形成されていることから、この遠心力は、出口６０２の開口側とは逆側の周方向位置において、径方向の外方に向かう方向に作用することになる（図５，７の矢印参照）。

従って、前記の流体力と遠心力とが互いに逆向きになって打ち消し合うことになり、羽根車６の流体中における水力的バランスが達成されることになる。

また、この水中ポンプ１を水中から引き上げて、空気中において駆動したときには、羽根車６の回転駆動に伴い、凹陥部６１１内の流体が、蓋体６２の貫通孔６２５を通じて排出され、凹陥部６１１が空になる。そのため、前述したように、羽根車６は、上側バランスウエイト６３及び下側バランスウエイト６４によって機械的バランスが得られる状態になり、空気中においても安定して回転駆動されることになる。

このようにこの羽根車６は、空気中においては充填空間内が空になり、流体中においては充填空間内が流体で充填されるようになるから、空気中における機械的バランスと流体中における水力的バランスとの双方を両立させることが実現する。

また本実施形態では、その充填空間の角度範囲を概略２４０°として、角度範囲を１８０°以上に設定することにより、水中ポンプ１の広い流量範囲に亘って、水力的バランスが達成される。すなわち、水中ポンプ１の吐出流量が変化することに伴い、羽根車６に対して作用する流体力の角度位置が変化することになる（図７において羽根車本体６１の最下端に相当する角度位置で鉛直真上の方向に作用する流体力が、その角度位置からずれた位置で、図７において傾いて作用するようになる）。これに対し、充填空間の角度範囲を予め１８０°以上に広げて設定することによって、角度位置が変化した後の流体力に対して逆向きの遠心力が得られるようになる。従って、流体力の角度位置が変化しても、その流体力を打ち消すことができるようになり、その結果、水中ポンプ１の広い流量範囲に亘って、水力的バランスを達成することができる。

このように、水中ポンプ１の吐出流量に応じて、羽根車６に作用する流体力の大きさや、その角度位置は変化するが、前記充填空間として機能させる凹陥部６１１の深さや、補強リブ６１２によって規定される周方向の角度範囲、つまり充填空間の容積は、水中ポンプ１の設計点において、羽根車６に作用する流体力の大きさ及びその角度位置に応じて、それと同等の大きさでかつ逆向きの遠心力が得られるように、設定すればよい。具体的には凹陥部６１１内に充填される流体の質量として必要な質量が、所望の角度位置において確保できるように設定すればよい。

ここで、前記の実施形態では、凹陥部６１１を羽根車本体６１の全周に亘って形成する一方で、補強リブ６１２によって、充填空間として機能させる角度範囲を区画するようにしているが、充填空間として機能させる角度範囲についてのみ凹陥部６１１を形成し、充填空間として機能させない角度範囲については（図７においては第１及び第３補強リブ６１２ａ、６１２ｃによって区画される上側の部分）、凹陥部６１１を形成しないようにしてもよい。このように凹陥部６１１を形成しない方策としては、その部分の肉厚を分厚くすることによって予め凹陥部を形成しないようにしてもよいし、凹陥部６１１内を後から埋めることによって凹陥部を形成しないことと同等にしてもよい。例えば、凹陥部６１１内に、バランスウエイトを配置することによって、凹陥部を埋めるようにようにしてもよい。

また逆に、凹陥部６１１を周方向の全周に亘って形成しつつ、補強リブにより充填空間として機能させる角度範囲を区画しないようにしてもよい。つまり、凹陥部６１１における出口６０２の開口側の深さとその逆側の深さとを変えること等によって、凹陥部６１１内に充填されている流体の周方向の質量分布を適宜設定することによって、その流体に作用する遠心力の分布が、前記の流体力を打ち消すような分布となるようにしてもよい。つまり、充填空間の周方向の角度範囲を規定する区画壁等は必須ではない。

また、補強リブ６１２によって区画壁を構成することに限定されない。さらにまた、区画壁は、径方向に直線状に延びる形状に限らず、湾曲していてもよい。

尚、本発明に係る羽根車は、合成樹脂製の羽根車に限定されるものではない。

また、本発明に係る羽根車は、一枚羽根の羽根車に限定されるものではなく、２枚以上の羽根を有する羽根車においても適用可能である。つまり、２枚以上の羽根を有する羽根車であっても流体中での水力的バランスが得られないときには、本発明に係る充填空間を当該羽根車に設けるようにしてもよい。同様に、羽根車の型式も特定の型式に限定されるものではない。

以上説明したように、本発明は、ポンプ用の羽根車及びそれを備えたポンプとして有用である。

本発明の実施形態に係るポンプ用羽根車を備えた水中ポンプの断面図である。 羽根車の斜視図である。 羽根車の正面図である。 羽根車の底面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 図４のVI−VI断面図である。 蓋体を外した状態における羽根車本体の平面図である。 蓋体の裏面図である。 図８のIX−IX断面図である。 羽根車本体のボス部付近を拡大して示す平面図である。 羽根車本体のボス部付近を拡大して示す断面図である。 上側バランスウエイトの斜視図である。 下側バランスウエイトの斜視図である。

符号の説明

１ 水中ポンプ
３ モータ（駆動源）
４ ケーシング
６ 羽根車
６０１ 入口
６０２ 出口
６０３ 内部流路
６１ 羽根車本体
６１１ 凹陥部（充填空間）
６１２ 補強リブ（区画壁）
６２ 蓋体
６２５ 貫通孔

Claims (7)

1. 回転中心軸を中心として回転する羽根車本体と、
   前記羽根車本体に設けられた羽根と、を備え、
   前記羽根車本体は、流体中での駆動回転時には、前記羽根の配置に起因して径方向の内方に向かう方向の流体力が所定の周方向位置において作用することにより、前記回転中心軸に対し非軸対称な力を受け、
   前記羽根車本体には、流体中においてはその内部に当該流体が充填される充填空間が形成されており、前記羽根車本体が前記流体中で駆動回転しているときには、前記充填空間内に充填されている流体に作用する遠心力によって、前記羽根車本体に作用する前記流体力が打ち消されるように構成されているポンプ用羽根車。
2. 請求項１に記載のポンプ用羽根車において、
   前記充填空間は、前記羽根車本体における前記回転中心軸を挟んだ一側及び他側の内、前記流体力が作用する側に設けられているポンプ用羽根車。
3. 請求項１又は２に記載のポンプ用羽根車において、
   前記充填空間は、前記回転中心軸を囲むように周方向に延びて設けられており、
   前記羽根車本体には、前記充填空間の周方向の角度範囲が所定の範囲となるように区画する区画壁が形成されているポンプ用羽根車。
4. 請求項３に記載のポンプ用羽根車において、
   前記充填空間の角度範囲は、１８０°よりも大に設定されているポンプ用羽根車。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のポンプ用羽根車において、
   前記羽根車本体は、前記回転中心軸方向に相対する一端面及び他端面、並びに当該一端面と他端面との間の周面を含んだ略円筒形状を有しており、
   前記羽根は、前記一端面に開口する入口と前記周面に開口する出口とを繋ぐ内部流路が形成されるように設けられた一枚羽根で構成されているポンプ用羽根車。
6. 請求項５に記載のポンプ用羽根車において、
   前記充填空間は、前記羽根車本体に対し、前記他端面に開口すると共に、前記回転中心軸方向に凹陥して形成されており、
   前記羽根車本体の前記他端面に取り付けられることによって、前記充填空間の開口を閉塞する蓋体をさらに備え、
   前記蓋体には、前記充填空間に連通すると共に、流体中においては当該充填空間に流体を流入させる一方、空気中においては前記充填空間内の流体を排出させる貫通孔が形成されているポンプ用羽根車。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載のポンプ用羽根車と、
   前記ポンプ用羽根車を収容するケーシングと、
   前記ポンプ用羽根車を回転駆動させる駆動源と、を備えているポンプ。

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