JP2014001659A - ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】特に小流量運転時において、羽根車の回転数を低下させた場合でも、渦損失の発生を抑制して、常時ポンプ効率を維持可能なポンプを提供すること。
【解決手段】本発明のポンプ１は、ボリュート１２の外周壁と羽根車４との間に配置されボリュート１２内の圧力に応じて羽根車４の径方向へ移動可能に構成されボリュート１２の容積を変更する板状部材１３を備え、前記ボリュート１２の外周壁に、板状部材１３を羽根車４側へ付勢する複数の弾性体１８を設けたことにより、ボリュート１２内の圧力の変化に応じた弾性体１８の伸縮により板状部材１３がボリュート１２径方向へ移動することにより、特にボリュート１２内の圧力が低い小流量運転時においても、渦損失の発生を抑制して、常時ポンプ効率を維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸入された液体を増圧して吐出するポンプに関するものである。

従来から、ポンプにおいては、液体を吸入する吸入流路と吸入された液体を吐出する吐出流路とを備えたポンプケースと、前記ポンプケース内に形成され回転遠心力により液体を増圧する羽根車を収容するとともに増圧された液体を吐出流路へ導くボリュートとを有している。

上記ポンプにおいては、使用する液体の温度に応じてポンプの吐出流量を変更することを目的として、ボリュートの外周壁と羽根車との間に、ボリュートの外周壁に沿って周回して板状部材を配置している。

そして、前記板状部材の一端側を、ボリュート上流側のボリュート外周壁に固定するとともに、他端側をボリュートの下流側に接続された吐出流路の外周壁内に設けられた感温型駆動部材に接続し、液体の温度に応じて板状部材をボリュートの径方向へ移動させることで、ボリュートの容積を変更することにより、液体の温度が変化した際に、吐出流量を変更することができるポンプが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１５９７８３号公報

しかしながら、上記従来の構成では、液体の温度が変化した際にのみボリュートの容積を変更できることから、例えば、液体の温度が変化しない場合は、ポンプの吐出流量を変更することが困難となっていた。

特に、ポンプの吐出流量を少なくする、即ち小流量運転時において、羽根車の回転数を低下させた場合は、ボリュート内で渦損失が発生することにより、ポンプ効率が低下してしまうという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、特に小流量運転時において、羽根車の回転数を低下させた場合でも、渦損失の発生を抑制して、常時ポンプ効率を維持することができるポンプを提供することを目的とする。

前記従来の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流路と吸入された液体を吐出する吐出流路とを備えたポンプケースと、前記ポンプケース内に形成され回転遠心力により液体を増圧する羽根車を収容するとともに増圧された液体を吐出流路へ導くボリュートとを有するポンプである。

そして、前記ボリュートの外周壁と羽根車との間に配置され、ボリュート内の圧力に応じて羽根車の径方向へ移動可能に構成されてボリュートの容積を変更する容積変更部を備え、前記ボリュートの外周壁に、容積変更部を羽根車側へ付勢する複数の弾性体を設けたものである。

これによって、ボリュート内の圧力の変化に応じた上記弾性体の伸縮により、上記、容積変更部がボリュートの径方向へ移動することで、ボリュート内の圧力の変化に応じて、ボリュートの容積を変更することが可能となる。

本発明のポンプは、特にボリュート内の圧力が低い小流量運転時において、羽根車の回転数を低下させた場合でも、ボリュート内の渦損失の発生を抑制してポンプ効率の低下を防止し、広い流量域でポンプ効率を維持することができる。

（ａ）本発明の実施の形態１におけるポンプの正面図（ｂ）同ポンプの側断面図 同ポンプの分解斜視図 （ａ）同ポンプの側面図（ｂ）同ポンプのボリュート内の圧力が低い場合を示す正断面図 同ポンプのボリュート内の圧力が低い場合を示す容積変更部の要部拡大図 同ポンプのボリュート内の圧力が高い場合を示す正断面図 同ポンプのボリュート内の圧力が高い場合を示す容積変更部の要部拡大図 本発明の実施の形態２におけるポンプの正断面図 同ポンプの変形例を示す正断面図 本発明の実施の形態３におけるポンプの正断面図

第１の発明は、液体を吸入する吸入流路と吸入された液体を吐出する吐出流路とを備えたポンプケースと、前記ポンプケース内に形成され回転遠心力により液体を増圧する羽根車を収容するとともに、増圧された液体を吐出流路へ導くボリュートと、を有するポンプである。

そして、前記ボリュートの外周壁と羽根車との間に配置され、ボリュート内の圧力に応じて羽根車の径方向へ移動可能に構成されて、ボリュートの容積を変更する容積変更部を備え、前記ボリュートの外周壁に、容積変更部を羽根車側へ付勢する複数の弾性体を設けている。

上記構成により、ボリュート内の圧力の変化に応じた上記弾性体の伸縮により、上記、容積変更部がボリュートの径方向へ移動することで、ボリュート内の圧力の変化に応じて、ボリュートの容積を変更することが可能となる。

これにより、特にボリュート内の圧力が低い小流量運転時において、羽根車の回転数を低下させた場合でも、ボリュート内の渦損失の発生を抑制してポンプ効率の低下を防止し、広い流量域でポンプ効率を維持することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の容積変更部を、ボリュートの外周壁に沿って周回して配置された板状部材により構成し、前記複数の弾性体の付勢力が、ボリュートの上流側より下流側が大きくなるように構成したものであり、圧力が低いボリュートの上流側には、付勢力が小さい弾性体を配置するとともに、圧力が高いボリュートの下流側には、付勢力が大きい弾性体が配置されている。

これにより、ボリュート内の圧力上昇にともない、上記板状部材がボリュートの径方向外周側に移動する際に、ボリュートの上流側から下流側にかけての板状部材の各部を同時
に移動させることができることから、ボリュート内の容積変更が均一化されて、広い流量域で、よりポンプ効率を維持することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の板状部材において、一端側が前記ボリュートの下流側外周壁に固定される固定部と、他端側が前記ボリュートの上流側外周壁内に設けられボリュートの周方向へ可動に構成された可動部とを設けたものである。

よって、ボリュート内での液体の流れる方向と、ボリュート内の圧力が上昇した際の上記可能部の移動方向とを、同様な方向とすることが可能となる。

これにより、ボリュート内の圧力が上昇した際に、上記可能部をスムースに移動させることができるため、広い流量域で、さらにポンプ効率を維持することができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の板状部材において、前記固定部の近傍が、ボリュート外周壁に内接するように配置されるとともに、ボリュートの下流側に接続されて吐出口へ至る吐出流路の外周壁の仮想延長面と略平行となるように構成したことにより、板状部材の下流側端部と、上記吐出流路外周壁とを、略同一面上に配置することが可能となる。

これにより、上記板状部材の下流側端部付近を流れる液体を、上記吐出流路へスムースに排出することができることから、広い流量域で、極めてポンプ効率を維持することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１から図６は、本発明の第１の実施形態におけるポンプ１を示すものである。

図１（ａ）、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である図１（ｂ）、および図２に示すように、ポンプ１は、液体を吸入する吸入口１０と、液体を吐出する吐出口１１とが形成されたポンプケース２を備えており、ポンプケース２内に設けられたポンプ室９には、吸入口１０から吸入された液体を増圧して吐出口１１から吐出させる羽根車４が収容されている。

ポンプケース２は、ポンプ室９の高さ方向（図２における上下方向）において、上下に分割されており、固定ビス２１により、組立て時に密着接合される。

上記ポンプ室９において、羽根車４の周囲には、図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である図３（ｂ）に示すように、外周が環状に形成されて、羽根車４の外周側より吐出された液体の流路となる、ボリュート１２が形成されている。

上記ボリュート１２は、羽根車４が収容された状態において、羽根車４の外周側を周回するように形成されており、ボリュート１２の幅（羽根車４の径方向の長さ）は、ボリュート１２の上流側から下流側にかけて徐々に広くなるように構成されている。

ボリュート１２の下流側には、吐出口１１に至る吐出流路１４が接続されており、ボリュート１２から吐出流路１４に排出された液体が、吐出口１１よりポンプ１外に吐出される。

また、ボリュート１２が、羽根車４の外周側を周回するように形成されていることで、ボリュート１２の上流側は、吐出流路１４の入り口内周側に形成された舌部１５と、羽根
車４との間に位置することになる。

羽根車４は、吸入口１０側に設けられた前面シュラウドと、吸入口１０と反対側に設けられた後面シュラウドとの間に複数の羽根が形成されていて、それぞれの羽根は、羽根車４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。

羽根車４の後面シュラウド側には、中空円筒状に形成され、側面にマグネットを備えたロータ５が一体形成されており、ロータ５は、ポンプケース２と対向配置された分離板３に設けられた有底円筒状の凹所に収容されている。

ポンプケース２と分離板３とは、固定ビス２１により組立て時に密着接合されるが、分離板３の外周側に形成された凹部に配置されたパッキン２０により、接合面から液体が漏れないように構成されている。

上記ロータ５は、一端側を上記凹所の底部に固定された固定軸６が、ロータ５の中心部を貫通して配置されており、固定軸６と対向するロータ５の内周側には軸受６ａが設けられていて、ロータ５およびロータ５と一体形成された羽根車４を回転自在に支持している。

また、固定軸６の他端側には、中空円状の摺動板１９が取付けられていて、ロータ５の回転にともなう、ロータ５と対向するポンプケース２の磨耗を防止するように構成されている。

一方、ロータ５の側面と対向する分離板３の外周側には、巻線が巻回されて、ロータ５を回転駆動させる磁力を発生するステータ７が配置されており、ステータ７には、ステータ７で発生する磁力を制御する制御基板８が接続されている。

ステータ７と制御基板８とは、モールド樹脂によりモールドされており、ステータ７や制御基板８で発生した熱を外部に放熱するともに、ステータ７と制御基板８とを保護するように構成されている。

図３および図４（図３（ｂ）における領域Ｄの要部拡大図）に示すように、ボリュート１２の外周壁に沿って、ボリュート１２の高さ（図３（ａ）における上下方向）と略同じ高さをもった、容積変更部としての、ステンレス等の耐食性が高い金属板から構成された板状部材１３が、ボリュート１２の外周を周回するように配置されている。

上記板状部材１３は、ボリュート１２の上流側端部１３ｂが、舌部１５近傍に形成され、その長手方向が、ボリュート１２の周方向と略同じ方向に配置された収容部１６内に収容された、可動部材１７に接続されている。

可動部材１７は、両側部に設けられたベアリング式スライドレールにより、収容部１６内の長手方向に移動自在に構成されており、板状部材１３のボリュート１２の下流側端部１３ａは、固定部としての吐出流路１４の入口の外周壁１４ａ近傍に固定されている。

また、ボリュート１２の外周壁には、ステンレス等の耐食性が高い金属板から構成された略Ｕ字状の弾性体１８が複数配置されている。

弾性体１８は、略Ｕ字状の一方がボリュート１２の外周壁に埋め込まれて固定されており、他方が、ボリュート１２に露出するとともに、板状部材１３の外周側と対向接触するように配置され、板状部材１３をボリュート１２の内周側へ付勢するように構成されてい
る。

さらに、上記複数の弾性体１８は、略Ｕ字状の開口度合いが、ボリュート１２の上流側から下流側にかけて、徐々に広くなるように形成されており、これにより、板状部材１３とボリュート１２の外周壁との距離は、ボリュート１２の上流側から下流側にかけて徐々に大きくなるように構成されている。

ここで、本実施の形態における各部の具体的な設計例としては、羽根車４の外径を５５ｍｍとし、ボリュート１２においては、羽根車４の中心からの最小径が５８ｍｍ、最大径７３ｍｍであり、ボリュート１２の高さを１８ｍｍとしたことで、ボリュート１２内壁の表面積は４０００平方ｍｍである。

一方、板状部材１３については、その全長が２４０ｍｍ（ただしその内の２４ｍｍは、羽根車４が回転していないときは、収容部１６に収容される）となり、高さは１７．９ｍｍとなる。

また、弾性体１８については、配置する個数を７個とし、各々の弾性体１８において、略Ｕ字状に形成後の長さが２５ｍｍ、幅が１４ｍｍで、板厚は０．５ｍｍとなり、上記７個の合成ばね定数は、８．３３［Ｎ／ｍｍ］に設定すればよい。

以上のように構成されたポンプ１について、以下その動作、作用を説明する。

制御基板８からステータ７に巻回された巻線に電力が供給されると、ステータ７で磁力が発生し、発生した磁力がロータ５に作用することで、ロータ５が固定軸６を軸中心として回転駆動される。

ロータ５が回転駆動されると、ロータ５一体形成された羽根車４が回転することで、吸入口１０からポンプ室９内へ液体が吸入される。

吸入された液体は、羽根車４の前面シュラウドの中心側より羽根車４内に導入され、前面シュラウドと後面シュラウドとの間に形成された複数の羽根の間を、羽根車４の内周側から外周側にかけて流れ、回転する羽根車４の遠心力により増圧される。

増圧された液体は、羽根車４の外周側より吐出され、ポンプ室９内に形成されたボリュート１２の上流側から下流側へ流れて、ボリュート１２の下流側に接続された吐出流路１４へ排出された後、吐出口１１よりポンプ１外に吐出される。

このとき、図３および図４に示すように、羽根車４の回転数が小さい、即ち、ボリュート１２内の圧力が低く、かつ吐出口１１から吐出される液体の流量が少ない場合は、ボリュート１２の外壁に設けられた複数の弾性体１８の付勢力により、板状部材１３は、その全周が、ボリュート１２の外壁より内周側に位置しており、収容部１６内の可動部材１７は、舌部１５側に移動している。

上記板状部材１３により、ボリュート１２の容積は、形成された容積より小さくなることから、低流量運転時における、ボリュート１２内の渦損失の発生を抑制して、ポンプ効率の低下を防止することができる。

一方、図５および図６（図５における領域Ｅの要部拡大図）に示すように、羽根車４の回転数が大きい、即ち、ボリュート１２内の圧力が高く、かつ吐出口１１から吐出される液体の流量が多い場合は、ボリュート１２内の圧力が、ボリュート１２の外壁に設けられ
た複数の弾性体１８の付勢力より大きくなる。

よって、板状部材１３は、その全周が、ボリュート１２の外壁側に移動し、その際に、収容部１６内の可動部材１７は、舌部１５の反対側に移動することで、収容部１６内の板状部材１３が、収容部１６よりボリュート１２内に引き出されることになる。

このとき、板状部材１３とボリュート１２の外周壁との距離は、ボリュート１２の上流側から下流側にかけて徐々に大きくなるように構成されているために、板状部材１３の移動距離も、ボリュート１２の上流側から下流側にかけて徐々に大きくなる。

よって、ボリュート１２の幅、即ちボリュート１２の容積が、ボリュート１２の上流側から下流側にかけて徐々に広くなるように構成されていることに対応して、ボリュート１２の容積を変更することができる。

上記板状部材１３の移動により、ボリュート１２の容積は、形成された容積に近くなることから、高流量運転時に対応したボリュート１２の容積が確保されることで、ポンプ効率を低下させることなく、ポンプ１を運転することができる。

以上のように、本実施の形態においては、板状部材１３により、ボリュート１２内の圧力に応じて、ボリュート１２の容積を変更することができるため、特にボリュート１２内の圧力が低い小流量運転時において、羽根車４の回転数を低下させた場合でも、ボリュート１２内の渦損失の発生を抑制してポンプ効率の低下を防止し、広い流量域でポンプ効率を維持することができる。

また、本実施の形態においては、板状部材１３の上流側端部１３ｂを、舌部１５近傍に形成された収容部１６内の可動部材１７に接続するようにしているが、収容部１６を、吐出流路１４の入口の外周壁１４ａ側に設けるようにしてもよい。

上記構成とすることで、舌部１５近傍と比べて、収容部１６の形成スペースに余裕ができるため、収容部１６の設計自由度を向上することができる。

（実施の形態２）
図７および図８は、本発明における第２の実施形態のポンプ１を示すものである。ここでは、上記第１の実施形態と相違する事項についてのみ説明し、同様の構成や作用効果等を有するものについては上記第１の実施形態の説明を援用する。

本発明の第２の実施形態が上記第１の実施形態と異なる部分は、ボリュート１２の外周壁に配置された複数の弾性体１８において、その付勢力を、ボリュート１２の上流側から下流側にかけて徐々に大きくなるように設定したところである。

このとき、弾性体１８の配置の具体例としては、弾性体１８の個数を７個とした際に、羽根車４の中心から吐出流路１４の入口外周側へ引いた線分と、吐出流路１４の外周壁との交差点を０度とする。

上記交差点を起点として、ボリュート１２の外周壁に沿って反時計回りの角度が、５．５度、２２．１度、４９．６度、８８．２度、１３７．９度、１９８．５度、および２７０度となる位置に弾性体１８を配置する。

上記差異をふまえて、本発明の第２の実施形態におけるポンプ１の動作について、以下その動作、作用を説明する。

制御基板８からステータ７に巻回された巻線に電力が供給されるところから、羽根車４で増圧された液体が、吐出口１１よりポンプ１外に吐出されるところは、上記第１の実施形態と同様である。

ここで、羽根車４が回転している際の、ボリュート１２内の圧力は、ボリュート１２上流側から下流側にかけて徐々に大きくなる。

本実施の形態においては、複数の弾性体１８の付勢力を、ボリュート１２の上流側から下流側にかけて徐々に大きくなるように設定しているため、ボリュート１２内の圧力上昇にともない、上記板状部材１３がボリュート１２の径方向外周側に移動する際に、ボリュート１２の上流側から下流側にかけての板状部材１３の各部を同時に移動させることができる。

よって、ボリュート１２内の容積変更が均一化されることで、広い流量域において、よりポンプ効率を常時維持することができる。

なお、図８に示すように、ボリュート１２の外周壁において配置される、複数の弾性体１８の間の間隔が、等間隔になるようにしてもよい。

この場合は、板状部材１３に内周側から圧力が印加された際に、等間隔に配置された複数の弾性体１８により、板状部材１３に作用する圧力を均一に分散させることで、板状部材１３の変形を防止することができる。

（実施の形態３）
図９は、本発明における第３の実施形態のポンプ１を示すものである。ここでは、上記第１の実施形態と相違する事項についてのみ説明し、同様の構成や作用効果等を有するものについては上記第１の実施形態の説明を援用する。

本発明の第３の実施形態が上記第１の実施形態と異なる部分は、板状部材１３の下流側端部１３ａが、固定部としてのボリュート１２の下流側の外周壁に内接して固定されているとともに、吐出流路１４の外周壁１４ａの仮想延長面Ｃと略平行となるように構成されたところである。

上記差異をふまえて、本発明の第３の実施形態におけるポンプ１の動作について、以下その動作、作用を説明する。

制御基板８からステータ７に巻回された巻線に電力が供給されるところから、羽根車４で増圧された液体が、吐出口１１よりポンプ１外に吐出されるところは、上記第１の実施形態と同様である。

ここで、板状部材１３の下流側端部１３ａが、吐出流路１４の外周壁１４ａの仮想延長面Ｃと略平行となるように構成されていることで、板状部材１３の下流側端部１３ａと、吐出流路１４の外周壁１４ａとの境界において段差が発生せず、ボリュート１２の下流側の液体を、吐出流路１４へ極めてスムースに排出することができることから、広い流量域で、極めてポンプ効率を維持することができる。

以上のように、本発明にかかるポンプは、単一のポンプで広範囲の流量域において、常時ポンプ効率を維持することが可能となるので、例えば、使用流量が頻■に変化する給湯
機器用ポンプ等の用途にも適用できる。

１ ポンプ
２ ポンプケース
３ 分離板
４ 羽根車
５ ロータ
６ 固定軸
６ａ 軸受
７ ステータ
８ 制御基板
９ ポンプ室
１０ 吸入口
１１ 吐出口
１２ ボリュート
１３ 板状部材
１３ａ 下流側端部
１３ｂ 上流側端部
１４ 吐出流路
１４ａ 外周壁
１５ 舌部
１６ 収容部
１７ 可動部材
１８ 弾性体
１９ 摺動板
２０ パッキン
２１ 固定ビス

Claims (4)

1. 液体を吸入する吸入流路と吸入された液体を吐出する吐出流路とを備えたポンプケースと、前記ポンプケース内に形成され回転遠心力により液体を増圧する羽根車を収容するとともに増圧された液体を吐出流路へ導くボリュートと、を有するポンプにおいて、前記ボリュートの外周壁と羽根車との間に配置され、ボリュート内の圧力に応じて羽根車の径方向へ移動可能に構成されてボリュートの容積を変更する容積変更部、を備え、前記ボリュートの外周壁に、容積変更部を羽根車側へ付勢する複数の弾性体を設けた、ことを特徴とするポンプ。
2. 前記容積変更部は、ボリュートの外周壁に沿って周回して配置された板状部材により構成され、前記複数の弾性体の付勢力が、ボリュートの上流側より下流側が大きくなるように構成された、ことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
3. 前記板状部材は、一端側が前記ボリュートの下流側外周壁に固定される固定部と、他端側が前記ボリュートの上流側外周壁内に設けられ、ボリュートの周方向へ可動に構成された可動部と、を設けたことを特徴とする請求項２記載のポンプ。
4. 前記板状部材は、前記固定部の近傍が、ボリュート外周壁に内接するように配置されるとともに、ボリュートの下流側に接続されて吐出口へ至る吐出流路の外周壁の仮想延長面と略平行となるように構成された、ことを特徴とする請求項３記載のポンプ。