JP2014001658A - ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ出力の変化によるポンプ効率低下を抑制するとともに、長期間使用しても耐久性に優れたポンプを提供すること。
【解決手段】吸入口１１１と吐出口１１２とが設けられたポンプケース１１内に形成されたポンプ室１３に収容され、固定軸１７に軸支されて吸入された液体を増圧する羽根車１４とを有するポンプ１において、羽根車１４は、上面の径方向に長手方向を有する複数の羽根１４３が立設された基体部１４２と、基体部１４２とは複数の羽根１４３を介して離間されて設けられポンプ室１３の内壁と対向して配置されたシュラウド１４４と、複数の羽根１４３の間に形成され羽根車１４が回転した際に液体が羽根車１４の径方向外周側へ流れる複数の流路１４５を備え、複数の流路１４５のうち少なくとも１つの流路には、流路内を流れる液体の圧力に応じて開閉する弁体１５７を備えた開閉弁１５を設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、吸入された液体を増圧させた後に吐出するポンプに関するものである。

従来、給湯機器などに用いられ、水等の液体を輸送するポンプにおいては、ポンプ効率が高くなるように設計された動作点において常時駆動されるとは限らず、場合によっては、出力の大幅に低い動作点で運転が実施されることがある。

上記の場合は、ポンプの羽根車内部の流路断面積が、羽根車内部を通る液体量に対して大きくなるため、水の渦流れや乱流が発生することなどにより、ポンプ効率が低下してしまうことがあった。

そこで、羽根車においてポンプの主軸に回転自在に支持された基体部に対し、羽根を回転自在に支持するとともに、弾性部材で保持することで、水流による圧力によって比較的単純な構成で羽根の角度が変更されるポンプが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２０２５０９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、羽根の角度のみが変化し、流路断面積の全体は大きくは変化しないため、大幅な特性変化が生じた場合には渦流れや乱流による損失が発生してしまうという課題があった。

さらに、羽根角度を調整するために用いられる弾性部材は、長期の使用にともなう劣化や環境変化等による弾性特性が変化し、その結果、所望の動作を行なわなくなるという問題点があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ポンプ出力が変化してもポンプ効率の低下を抑制し、さらに長期使用しても、常時所望の動作を維持可能な回転式ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のポンプは、液体を吸入する吸入口と吸入された液体を吐出する吐出口とが設けられたポンプケースと、前記ポンプケース内に形成されたポンプ室と、前記ポンプ室に収容され回転軸に軸支されて吸入された液体を増圧する羽根車とを有するポンプである。

そして、前記羽根車は、上面の径方向に長手方向を有する複数の羽根が立設された基体部と、前記基体部とは複数の羽根を介して離間されて設けられポンプ室の内壁と対向して配置されたシュラウドと、前記複数の羽根の間に形成され羽根車が回転した際に液体が羽根車の径方向外周側へ流れる複数の流路とを備えている。

さらに、前記複数の流路のうち少なくとも１つの流路には、流路内を流れる液体の圧力
に応じて開閉する弁体を備えた開閉弁を設けたものである。

これによって、ポンプの出力、即ち羽根車の回転数が減少した場合に、それに対応して上記開閉弁の弁体を閉じることで流路の断面積を減少させることができるため、上記流路内の渦流や乱流によるポンプ効率の低下を抑制することができる。

本発明のポンプは、開閉弁の弁体の開閉動作により流路断面積を変化させることができるため、羽根車の回転が変化した場合に、ポンプ効率の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態１におけるポンプの正断面図 （ａ）同ポンプの開閉弁の弁体の開状態を示す上断面図（ｂ）同ポンプの開閉弁の弁体の閉状態を示す上断面図 （ａ）同ポンプの開閉弁の要部拡大断面図（ｂ）同ポンプの開閉弁の上面拡大図 同ポンプの流量に対するトルクおよび回転数変化を示す特性図 同ポンプの流量に対する開閉弁の弁体の支持軸まわりのトルクの変化を示す特性図

第１の発明は、液体を吸入する吸入口と吸入された液体を吐出する吐出口とが設けられたポンプケースと、前記ポンプケース内に形成されたポンプ室と、前記ポンプ室に収容され回転軸に軸支されて吸入された液体を増圧する羽根車とを有するポンプである。

そして、前記羽根車は、上面の径方向に長手方向を有する複数の羽根が立設された基体部と、前記基体部とは複数の羽根を介して離間されて設けられポンプ室の内壁と対向して配置されたシュラウドと、前記複数の羽根の間に形成され羽根車が回転した際に液体が羽根車の径方向外周側へ流れる複数の流路とを備えている。

さらに、前記複数の流路のうち少なくとも１つの流路には、流路内を流れる液体の圧力に応じて開閉する弁体を備えた開閉弁を設けたものである。

これにより、ポンプの出力、即ち羽根車の回転数が減少した場合に、それに対応して上記開閉弁の弁体を閉じることで流路の断面積を減少させることができるため、上記流路内の渦流や乱流によるポンプ効率の低下を抑制することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の前記開閉弁が、両端を前記基体部とシュラウドとに回転可能に支持されるとともに弁体を開閉自在に軸支する支持軸を備え、前記支持軸は、前記流路の内周側入口近傍に配置されたものである。

これにより、前記開閉弁の弁体が閉じることで、隣り合う羽根の内周側端部を閉塞することにより、流路の入り口が閉塞されることから、ポンプ室内の渦流や乱流の発生をより減少することができるため、さらにポンプ効率の低下を抑制することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の前記開閉弁において、弁体の長手方向における羽根車の外周側端部が、前記羽根車の外周近傍まで延伸して形成されたことにより、開閉弁の弁体が開状態と閉状態の間に位置しているときに、弁体が羽根車の内周側から外周側までにおいて、液体の流れの案内板としての機能を有している。

よって、弁体が延伸して形成されていない場合より、特に羽根車の外周側での乱流の発生を減少することができるため、さらにポンプ効率の低下を抑制することができる。

第４の発明は、特に、第２または第３の発明の前記支持軸において、基体部側の端部が基体部の下面側まで挿通されるとともに基体部の下面側に突出して設けられ、前記基体部側の端部には、支持軸の軸方向に対して略垂直方向かつ支持軸を介して前記弁体の反対側に設けられた重り部材を備えている。

これにより、重り部材が羽根車の回転にともなう遠心力により、開閉弁の弁体を閉じる方向に作用するトルクを発生する。また、羽根車の回転にともない発生する液体の圧力は、開閉弁の弁体を開く方向に作用するトルクを発生する。

このとき、羽根車の回転数が高い場合は、開閉弁の弁体を開く方向に作用するトルクが、開閉弁の弁体を閉じる方向に作用するトルクよりも大きくなるため、弁体は開状態となる。一方、羽根車の回転数が低い場合は、開閉弁の弁体を開く方向に作用するトルクが、開閉弁の弁体を閉じる方向に作用するトルクよりも小さくなるため、弁体は閉状態となる。

上記により、羽根車の回転数、即ちポンプの出力に応じて開閉弁の弁体が開閉することから、例えば、長期間の使用により劣化する可能性があるバネ等の弾性体を用いることなく、耐久性に優れた弁体の開閉動作を行うことができる。

第５の発明は、特に、第４の発明の前記開閉弁が、複数の流路に設けられるとともに、それぞれの開閉弁は前記重り部材を備え、前記重り部材は、互いに質量を異ならせているように設定されている。

これにより、羽根車の回転数、即ちポンプ出力に応じて、開閉動作を行う開閉弁の数を段階的に変更して流路の断面積を細やかに変化させることで、さらにポンプ効率の低下を抑制することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるポンプの正断面図を示すものであり、図２（ａ）は、同ポンプの開閉弁の弁体の開状態を示す上断面図、および図２（ｂ）は、同ポンプの開閉弁の弁体の閉状態を示す上断面図である。

図１に示すように、ポンプ１においては、液体を吸入する吸入口１１１および吸入された液体を吐出する吐出口１１２が設けられたポンプケース１１と、前記ポンプケース１１と対向配置された分離板１２との間にポンプ室１３が形成されている。

前記ポンプ室１３内には、吸入口１１１より吸入された液体を増圧して吐出口１１２より吐出する羽根車１４が収容されている。

上記羽根車１４は、永久磁石１４１が設けられたロータ１４６と一体に形成されていて、上記ロータ１４６は、内周側に軸受１７１を備えており、前記軸受１７１が、その内周側に配置された固定軸１７の回りに回転自在に構成されている。

よって、羽根車１４が軸支される回転軸としての上記軸受１７１と固定軸１７により、ロータ１４６と一体に形成された羽根車１４が回転自在に構成されている。

分離板１２の外周側には、モータ部１８としての巻線１６１が巻回されたステータ１６
が配置されており、ステータ１６で発生した磁力が、永久磁石１４１に作用することでロータ１４６が回転駆動され、その結果、羽根車１４が回転することになる。

また、上記分離板１２によりポンプ室１３とモータ部１８とが区画されることで、ポンプ室１３内の液体がモータ部１８へ流出しないように構成されている。

図２に示すように、羽根車１４は、基体部１４２とシュラウド１４４との間に複数の羽根１４３を有しており（本実施の形態１では八枚）、隣り合う羽根１４３の間と、基体部１４２、およびシュラウド１４４に囲まれた領域が、液体が流れる流路１４５となり、流路１４５は、羽根１４３と同じ数が形成されている（本実施の形態１では八箇所）。

それぞれの羽根１４３は、羽根車１４の回転方向側が凸となる緩やかな弧状に形成されており、上記凸の頂部は羽根１４３の長手方向中央より羽根車１４の内周側に位置している。

そして、シュラウド１４４の内周側には、吸入口１１１より吸入された液体が上記流路１４５に導入される開口が形成されている。

上記構成により、導入された液体は、流路１４５の内周側より流入して、羽根車１４の回転（図２では反時計回り）により増圧された後、流路１４５の外周側よりポンプ室１３を介して吐出口１１２より吐出される。

上記流路１４５には、羽根車１４の回転方向に対して一つおきに、開閉弁１５が設けられており（本実施の形態１では四個）、上記開閉弁１５は、羽根１４３の内周側に設けられた支持軸１５１に回動可能に軸支され、支持軸１５１より羽根１４３の外周側に延設された弁体１５７を有している。

図２に示すように、開閉弁１５の弁体１５７は、羽根１４３と同様に羽根車１４の回転方向側が凸となる緩やかな弧状に形成されているが、左記凸の頂部は弁体１５７の長手方向中央より羽根車１４の外周側に位置している。

また、羽根車１４の回転方向反対側の側面が、対向する羽根１４３の羽根車１４の回転方向側の側面と密接可能な形状に形成されている。

上記構成により、開閉弁１５の弁体１５７が開く際は、弁体１５７の内周側端部を軸支する支持軸１５１を中心として、羽根車１４の回転方向に回動するとともに、弁体１５７の羽根車１４の回転方向側の側面の一部が、対向する羽根１４３の羽根車１４の回転方向反対側の側面に接する状態となり、流路１４５が開状態となる。

一方、開閉弁１５の弁体１５７が閉じる際は、弁体１５７の内周側端部を軸支する支持軸１５１を中心として、羽根車１４の回転方向反対側に回動するとともに、弁体１５７の羽根車１４の回転方向反対側の側面が、対向する羽根１４３の羽根車１４の回転方向側の側面に密接する状態となり、流路１４５が閉状態となる。

このとき、流路１４５の内周側にある入口が、弁体１５７と羽根１４３の内周側端部により閉塞された状態となっている。

また、弁体１５７が開状態の際は、弁体１５７の形状が、羽根１４３と同様に羽根車１４の回転方向側が凸となる弧状に形成されていることから、弁体１５７の羽根車１４の回転方向側の側面は、対向する羽根１４３の羽根車１４の回転方向反対側の側面と密接する
ことはないものの、流路１４５を流れる液体の抵抗となり難いように構成されている。

図３（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるポンプの開閉弁の要部拡大断面図であり、図３（ｂ）は、同ポンプの開閉弁の上面拡大図である。

図３に示すように、開閉弁１５は、弁体１５７と、弁体を軸支する支持軸１５１と、防水性樹脂１５４により被覆された重り部材１５３と、上記支持軸１５１と防水性樹脂１５４とを接続する接続部１５２とにより構成されている。

支持軸１５１の基体部１４２側には、凹部１５５が形成されており、羽根車１４に開閉弁１５を取付ける際は、まず支持軸１５１を、支持軸１５１の軸受となるシュラウド１４４の羽根１４３側の面に形成された凹部１５８に挿入する。

次に、基体部１４２を貫通するように形成された孔１５６に支持軸１５１を通し、支持軸１５１の上記凹部１５５に接続部１５２の端部を挿入して、接着などの固定手段により、接続部１５２を固定する。

上記により、羽根車１４に開閉弁１５を取付けた後は、支持軸１５１は、シュラウド１４４内周側において、基体部１４２に形成された孔１５６と、シュラウド１４４に形成された軸受としての凹部１５８によって、回転自在に支持されている。

さらに、支持軸１５１は、基体部１４２側の端部が、基体部１４２に形成された孔１５６を貫通して基体部１４２下面側（図３（ａ）における下側）に突出して設けられ、支持軸１５１の基体部１４２側の端部には、支持軸１５１の軸方向に対して略垂直方向、かつ支持軸１５１の前記弁体１５７とは反対側に設けられ、防水性樹脂１５４により被覆された重り部材１５３が配置されている。

重り部材１５３は、例えば鉄等のポンプ室１３内の液体より比重の高い部材を用いるとともに、上記重り部材１５３の液体による腐食を防止するために、防水性樹脂１５４としては、ＰＰＳ等の樹脂が用いられている。

以上のように構成されたポンプについて、以下その動作、作用を説明する。

モータ部１８のステータ１６に外部から電力が供給されると、ステータ１６で発生した磁力が、ロータ１４６の永久磁石１４１に作用することでロータ１４６が回転駆動され、ロータ１４６と一体形成された羽根車１４が回転する。

羽根車１４の回転により、吸入口１１１からポンプ室１３に吸入された液体が、シュラウド１４４の内周側に形成された開口を通って、隣り合う羽根１４３の間と基体部１４２、およびシュラウド１４４に囲まれた流路１４５の内周側に導入される。

導入された液体は、羽根車１４の回転による遠心力により流路１４５内で増圧された後、流路１４５の外周側よりポンプ室１３を介して吐出口１１２より吐出される。

このとき、羽根車１４の回転数が高い場合は、羽根車の回転にともない開閉弁１５の弁体１５７に作用する液体の圧力による弁体１５７を開く方向に作用するトルクが、重り部材１５３に作用する遠心力により開閉弁１５の弁体１５７を閉じる方向に作用するトルクよりも大きくなるため、重り部材１５３が、支持軸１５１を回転中心として羽根車１４の回転方向側に回動するため、弁体１５７は開状態となる。

一方、羽根車１４の回転数が低い場合は、上記開閉弁１５の弁体１５７を開く方向に作用するトルクが、上記開閉弁１５の弁体１５７を閉じる方向に作用するトルクよりも小さくなるため、重り部材１５３が、支持軸１５１を回転中心として羽根車１４の回転方向反対側に回動することで、弁体１５７は閉状態となる。

上記により、羽根車１４の回転数、即ちポンプ１の出力に応じて開閉弁１５の弁体１５７が開閉することから、例えば、長期間の使用により劣化する可能性があるバネ等の弾性体を用いることなく、耐久性に優れた弁体１５７の開閉動作を行うことができる。

図４は、本実施の形態のポンプ１の一設計例としての、液体の流量に対するトルクおよび回転数変化を示す特性図である。

図４に示すように、想定される代表的な四つの流量ポイントを、動作点ＡからＤとした場合に、それぞれの動作点における、トルクおよび羽根車１４の回転数を測定した。

このとき、羽根車１４は、内径が１５ｍｍ、外径が５５ｍｍ、羽根１４３の枚数を８枚に設定されており、また使用する液体としては、清水を用いている。

弁体１５７を開くために必要なトルクについて、羽根車１４を回転させるために必要なトルクは、通常、羽根１４３が清水を吐出させるために、その大部分が費やされると考えてよい。よって、羽根１４３に回転方向に作用する力は、羽根車１４に作用するトルクにほぼ比例することになる。

さらに、羽根車１４の弁体１５７は、羽根１４３と同様に羽根車１４の回転方向側が凸となる弧状に形状に形成されているため、弁体１５７において、回転方向に作用する力は、羽根車１４に作用するトルクにほぼ比例すると考えられる。

よって図４に示す測定結果より、羽根車１４に作用するトルクを羽根１４３の枚数（８枚）で割り、さらに、弁体１５７の支持軸１５１からの平均距離（この場合は１０ｍｍ）を乗じた値が、弁体１５７を開くために必要なトルクとなる。

次に、羽根車１４の回転により発生する遠心力により、弁体１５７を閉じるために必要な重り部材１５３の重さについては、回転する物体に作用する遠心力は、重りの重心と回転中心との距離に比例するとともに、回転数の２乗に比例する。

ここで、接続部１５２の長さを５ｍｍとした場合、図４に示す動作点Ｃにおいて、上記トルクとつり合うために必要な重り部材１５３の重さは０．０５ｇとなる。このとき、重り部材１５３を鉄から構成する場合は、重り部材１５３の寸法としては、直径約２．６ｍｍ、高さ１．０ｍｍの寸法となる。

また、図５に示すように、動作点Ｃよりも清水の流量の大きい動作点ＡとＢにおいては、開閉弁１５の弁体１５７を開く方のトルクが、閉じる方のトルクより大きく、清水の流量の小さい動作点Ｄにおいては弁体１５７を閉じる方のトルクが、開く方のトルクより大きいことが分かる。

上述したことから、液体の流量、即ち羽根車１４の回転数に応じて、開閉弁１５の弁体１５７を開閉させることが可能である。

なお本実施の形態では、弁体１５７の開閉時のトルクを、羽根車１４の回転による遠心力により得ているが、例えば、永久磁石や電磁石等の磁力により、弁体１５７の開閉に必
要なトルクを得るようにしても良い。

以上のように、本発明にかかるポンプは、ポンプの動作点に応じて流路断面積が変更されるとともに、長期間の使用に対する耐久性も高いことから、例えば、気体等の圧縮性流体用ポンプにも適用できる。

１ ポンプ
１１ ポンプケース
１１１ 吸入口
１１２ 吐出口
１２ 分離板
１３ ポンプ室
１４ 羽根車
１４１ 永久磁石
１４２ 基体部
１４３ 羽根
１４４ シュラウド
１４５ 流路
１４６ ロータ
１５ 開閉弁
１５１ 支持軸
１５２ 接続部
１５３ 重り部材
１５４ 防水性樹脂
１５５、１５８ 凹部
１５６ 孔
１５７ 弁体
１６ ステータ
１６１ 巻線
１７ 固定軸
１７１ 軸受
１８ モータ部

Claims (5)

1. 液体を吸入する吸入口と吸入された液体を吐出する吐出口とが設けられたポンプケースと、前記ポンプケース内に形成されたポンプ室と、前記ポンプ室に収容され回転軸に軸支されて吸入された液体を増圧する羽根車と、を有するポンプにおいて、前記羽根車は、上面の径方向に長手方向を有する複数の羽根が立設された基体部と、前記基体部とは複数の羽根を介して離間されて設けられポンプ室の内壁と対向して配置されたシュラウドと、前記複数の羽根の間に形成され羽根車が回転した際に液体が羽根車の径方向外周側へ流れる複数の流路と、を備え、前記複数の流路のうち少なくとも１つの流路には、流路内を流れる液体の圧力に応じて開閉する弁体を備えた開閉弁を設けた、ことを特徴とするポンプ。
2. 前記開閉弁は、両端を前記基体部とシュラウドとに回転可能に支持されるとともに弁体を開閉自在に軸支する支持軸を備え、前記支持軸は、前記流路の入口近傍に配置された、ことを特徴とする、請求項第１記載のポンプ。
3. 前記開閉弁は、弁体の長手方向における羽根車の外周側端部が、前記羽根車の外周近傍まで延伸して形成された、ことを特徴とする、請求項２記載のポンプ。
4. 前記支持軸は、基体部側の端部が基体部の下面側まで挿通されるとともに基体部の下面側に突出して設けられ、前記基体部側の端部には、支持軸の軸方向に対して略垂直方向かつ支持軸を介して前記弁体の反対側に設けられた重り部材を備えた、ことを特徴とする、請求項２または３記載のポンプ。
5. 前記開閉弁は、複数の流路に設けられるとともに各開閉弁は前記重り部材を備え、前記重り部材は、互いに質量を異ならせていることを特徴とする、請求項４記載のポンプ。