JP2016130487A - 渦流ポンプ及び給水ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】小水量域での消費電力を低減し、大水量域のポンプ効率を向上させるために片面インペラを用いた場合であっても、インペラとケーシングライナとの接触を防止し、円滑な運転を行うこと。【解決手段】縦型モータ２０の主軸２１に、主軸２１の軸方向に移動可能に取り付けられ、その下面６１ｂにのみ羽根溝６２が形成されたインペラ６０と、羽根溝６２に対向する位置に流路が設けられたケーシングライナ５０と、インペラ６０の上面に対向するケーシングカバー３１のブラケット４０と、主軸２１に対する前記インペラの軸方向の位置を、インペラ６０の上面６１ａとブラケット４０との上面ギャップＧ１及びインペラ６０の下面６１ｂとケーシングライナ５０との下面ギャップＧ２を所定距離に保持する止め具７０とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、小水量域での消費電力を軽減することができる渦流ポンプ及び給水ユニットに関する。

渦流ポンプは、インペラの回転によりポンプ室内部の水を吐出し側に押し出し、吸込側に負圧を発生させ、吸込管内部の空気を吸引し、ポンプ室内部の水と撹拌・混合して、気泡を分離して大気中に放出し、ポンプ室内部の水をポンプ部の吸込口等へ返流することにより、自吸水を循環している。ポンプ部の吸込側と吐出側は狭いギャップでシールされており、気泡を含有した水が吸込側へ逆流することが少ないため、自吸能力に優れ、その吸上揚程は−７〜８ｍに及び、自吸時間も渦巻ポンプに比べて短く、施工後の試運転作業が簡便で済む。

このため、吸込側に逆止弁を装備すれば、呼水と呼ばれるポンプ部内部に自吸水を充満する作業だけで、自吸運転により井戸からの揚水を完了することができ、渦巻ポンプのように、吸込管の先端にフート弁を取り付けて、吸込管内に水を充満させる必要が無いという利点があり、井戸用途に適したポンプである。

さらに、渦流ポンプは羽根枚数分のインペラを有するリニア多段ポンプの特性を有しており、小さなモータ出力で高揚程が得られ、家庭用井戸ポンプとして最適である。

しかし、小水量になるほど消費電力が大きくなるため、多くの家庭で使用される蛇口１，２個（１０〜２０Ｌ／ｍｉｎ）程度での省エネルギー化が求められていた。

そこで、インバータを使用して吐出圧力一定制御を行うことにより、小水量側での消費電力を削減することが可能となるが（例えば、特許文献１参照。）、最大動力点は蛇口２個分に相当する流量となり、その消費電力は、従来と同じく最高周波数になるため、同じ消費電力となっており、大流量側での特性向上と共に、消費電力低減が求められていた。

そこで、渦流ポンプ部を改良して、発生圧力を確保しつつ流量を低下させて消費電力を削減するといった方策が望まれており、インペラ幅と流路断面積を小さくして、開放側の流量を低減することが考えられるが、大幅な流量低減＝出力低減を目指して、インペラ幅を小さくしすぎると、インペラ直径や羽根溝長さに比べて羽根溝の深さが小さくなり、ポンプ効率が極端に低下することが知られている。

渦流ポンプのインペラは、円板の両面に羽根溝を有する構造となっており、前記した設計手法は両面に羽根溝のあるインペラ（以下、「両面インペラ」と称する。）を前提としていた（例えば、特許文献２参照。）。

両面インペラは、インペラ両面が発生する圧力が円周全域にわたり同一であり、軸方向の荷重が零となり、モータ内蔵の軸受けにアキシャル荷重が作用しないため、渦巻ポンプに採用するモータに比べて、小さな軸受を選定可能であり、市販の渦流ポンプのインペラは、ほぼ両面インペラである。

渦流ポンプには、両面インペラを用いたものの他、片面のみに羽根溝を有するインペラ（以下、「片面インペラ」と称する。）が知られている（例えば、特許文献３，４参照。）。しかしながら、片面インペラとした技術的意義や具体的な取付方法等は開示されていない。

なお、両面インペラを主軸に固定すると共に主軸を軸方向に移動可能な特殊な構造を有するモータを用い、インペラと狭隘なギャップを介して相対するライナとカバーにインペラが接触しないように調整可能とするものが開示されている（例えば、特許文献５参照。）。

特開平１０−２８８１８５号公報（図５） 実開平０５−０７３２８７号公報（図１） 特開２００４−１８３６３０号公報（図１） 特開２０１２−０９２９２７号公報 実開平０５−０７８９８９号公報

上述した渦流ポンプでは、次のような問題があった。すなわち、片面インペラの場合、羽根溝のある下面より羽根溝の無い上面の方が、狭隘なギャップを構成する面積が広くシール性が高い。このため、吐出側から吸込側への漏れ量が少なく、上面側の圧力が下面側の圧力を上回る。このため、インペラには下方へアキシャル荷重が作用し、インペラの下面とケーシングライナとが接触し、回転に不具合が生じる。

そこで本発明は、小水量域での消費電力を低減し、大水量域のポンプ効率を向上させるために片面インペラを用いた場合であっても、インペラとケーシングライナとの接触を防止し、円滑な運転を行うことが可能である渦流ポンプ及びこの渦流ポンプを備えた給水ユニットを提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の渦流ポンプ及び給水ユニットは次のように構成されている。

モータの主軸に、前記主軸の軸方向に移動可能に取り付けられ、その下面にのみ羽根溝が形成されたインペラと、前記羽根溝に対向する位置に流路が設けられたケーシングライナと、前記インペラの上面に対向するケーシングカバーと、前記主軸に対する前記インペラの軸方向の位置を、前記インペラの上面と前記ケーシングカバーとの上面ギャップ及び前記インペラの下面と前記ケーシングライナとの下面ギャップを所定距離に保持する止め具とを備えている。

本発明によれば、小水量域での消費電力を低減し、大水量域のポンプ効率を向上させるために片面インペラを用いた場合であっても、インペラとケーシングライナとの接触を防止し、円滑な運転を行うことが可能である。

本発明の一実施の形態に係る渦流ポンプを備えた給水ユニットを示す縦断面図。 同渦流ポンプの要部を示す縦断面図。 同渦流ポンプのポンプ特性を示す説明図。

図１は本発明の一実施の形態に係る渦流ポンプ１０を備えた給水ユニット１０を示す縦断面図、図２は渦流ポンプ１０の要部を示す縦断面図、図３は渦流ポンプ１０のポンプ特性を示す説明図である。

給水ユニット１０は、縦型モータ２０と、この縦型モータ２０に回転駆動される渦流ポンプ３０と、縦型モータ２０を可変速制御する制御部１００とを備えている。縦型モータ２０は、その主軸（回転軸）２１が鉛直方向に配置されており、渦流ポンプ３０内に配置された後述する片面インペラ６０と結合している。なお、以下、主軸２１の軸方向を軸方向と称する。

縦型モータ２０の運転電流は、制御部１００内の電流検出部１０２により検出されている。

渦流ポンプ３０は、縦型モータ２０に取り付けるためのケーシングカバー３１を備えている。また、ケーシングカバー３１は、筒状のポンプケーシング３２に締結されており、このポンプケーシング３２の上方の開口部３３は、下方に開口する凹部４２が形成されたブラケット４０によって蓋されている。さらに、ポンプケーシング３２の下方の開口部３４は、有底筒状のケーシングライナ５０によって蓋されている。

ブラケット４０は、円盤状のブラケット本体４１と、このブラケット本体４１に設けられた凹部４２内に主軸２１を配置すると共に、軸受４３で主軸２１を支持している。さらに主軸２１は、軸シール部４４によりシール性が維持されている。

ブラケット本体４１は、片面インペラ６０の上面６１ａと狭隘な上面ギャップＧ１をもって対向配置されている。また、ケーシングカバー３１とブラケット４０は、一体に形成されていてもよい。

ケーシングライナ５０の底部中央には上方に向けて突出した筒状の支持部５１が設けられている。この支持部５１の先端は、片面インペラ６０の下面６１ｂと狭隘な下面ギャップＧ２をもって対向配置されている。また、図１，２中５２は後述する羽根溝６２から圧送された水を後述する吐出管８０に案内する流路を示している。

ブラケット４０の凹部４２とケーシングライナ５０の凹部５１との間には、羽根溝６２が下面側に配置された片面インペラ６０が収容されている。

片面インペラ６０は、円盤状の本体６１を備えている。本体６１はブラケット４０に対向する上面６１ａと、ケーシングライナ５０に対向する下面６１ｂが設けられている。本体６１の下面６１ｂ側には羽根溝６２が設けられている。

片面インペラ６０は、主軸２１に対して軸方向に移動可能に取り付けられると共に、止め輪７０によってその軸方向の移動が規制され、上述した上面ギャップＧ１及び下面ギャップＧ２が所定の範囲内に収まる位置に固定されている。

渦流ポンプ３０の出口には吐出管８０が接続され、吐出圧力を検出する圧力検出部８１が設けられている。

制御部１００は、インバータ１０１により縦型モータ２０を可変速制御する。また、電流検出部１０２によりインバータ１０１の運転電流を計測する。

そして、インバータ１０１により、停止流量において、予め定めた最高周波数Ｆｍａｘにて運転した場合の最大運転電流を試験により実測し、その最大運転電流より低い値の許容電流値Ｅｐを設定すると共に、停止流量近傍にて許容電流値Ｅｐにて運転した場合の吐出圧力より低い値の目標圧力を設定し、停止流量Ｑ０から許容電流値で運転した場合の吐出圧力が目標圧力と同じになる第１流量Ｑ１まで、目標圧力での吐出圧力一定制御を行い、第１流量Ｑ１から最高周波数Ｆｍａｘでの運転電流が前記許容電流値と同じになる第２流量Ｑ２まで前記許容電流値での電流一定制御を行い、第２流量Ｑ２以上では、最高周波数Ｆｍａｘでの運転周波数一定制御を行う。

なお、上記の最大周波数Ｆｍａｘは、渦流ポンプ１０が大流量域においてキャビテーションを発生せず、軸シール部の仕様範囲（Ｐ・Ｖ値＝圧力Ｘ回転速度）を超えないように設定されている。

このように構成された渦流ポンプ１０を備えた給水ユニット１０では、縦型モータ２０をインバータによる可変速制御を行うことで給水を行う。制御部１００による可変制御については、前述した通りである。図３は、この時の可変速制御によるポンプ特性を示している。

渦流ポンプ３０では、片面インペラ６０の下面６１ｂより上面６１ａの方が、狭隘なギャップを構成する面積が広くシール性が高い。このため、吐出側から吸込側への漏れ量が少なく、上面側の圧力が下面側の圧力を上回る。このため、本体６１には下方へアキシャル荷重が作用し、片面インペラ６０が下方に移動しようとする。この時、止め輪７０が設けられていることから、片面インペラ６０の主軸２１に対して軸方向への移動が規制され、上述した上面ギャップＧ１及び下面ギャップＧ２が所定の範囲内に収まる位置に固定される。したがって、本体６１とケーシングライナ５０とが接触することが無く、円滑な運転を行うことができる。したがって、小水量域での消費電力を大幅に低減することが可能となる。

また、制御部１００においては、上述したような制御により、流量の増加に応じて、吐出圧力一定制御領域Ｓ１、電流一定制御領域Ｓ２、最高周波数運転制御領域Ｓ３で制御される。すなわち、流量が少ない場合は、吐出圧力一定制御領域Ｓ１であるため、運転電流を抑えて運転が行われる。運転電流が許容電流に達すると電流一定制御領域となり、インバータ１０１が過負荷にならない運転電流で運転が行われる。

さらに、最高周波数に達すると、渦流ポンプ１０が大流量域においてキャビテーションを発生せず、軸シール部の仕様範囲を超えない運転周波数で運転が行われる。したがって、消費電力を抑えつつ、縦型モータ２０及びインバータの故障を招くこと無く、ポンプ特性の向上を図ることができる。

このように本発明に係る渦流ポンプ３０が組み込まれた給水ユニット１０によれば、小水量域での消費電力を大幅に低減するために片面インペラを用いた場合であっても、インペラとケーシングライナとの接触を防止し、円滑な運転を行うことが可能である。また、小水量における消費電力を抑えると共に、大水量におけるポンプ効率の向上を図ることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

１０…給水ユニット、２０…縦型モータ、２１…主軸、３０…渦流ポンプ、３１…ケーシングカバー、４０…ブラケット、５０…ケーシングライナ、５２…流路、６０…片面インペラ、６１ａ…上面、６１ｂ…下面、６２…羽根溝、８０…吐出管、８１…圧力検出部、１００…制御部、１０１…インバータ、１０２…電流検出部、Ｇ１…上面ギャップ、Ｇ２…下面ギャップ。

Claims (3)

1. モータの主軸に、前記主軸の軸方向に移動可能に取り付けられ、その下面にのみ羽根溝が形成されたインペラと、
   前記羽根溝に対向する位置に流路が設けられたケーシングライナと、
   前記インペラの上面に対向するケーシングカバーと、
   前記主軸に対する前記インペラの軸方向の位置を、前記インペラの上面と前記ケーシングカバーとの上面ギャップ及び前記インペラの下面と前記ケーシングライナとの下面ギャップを所定距離に保持する止め具とを備えていることを特徴とする渦流ポンプ。
2. 前記モータの主軸は、鉛直方向に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の渦流ポンプ。
3. 請求項１に記載された渦流ポンプを備えたポンプ装置と、
   前記渦流ポンプの吐出圧力を検出する圧力検出部と、
   前記モータの運転電流を検出する電流検出部と、
   前記モータを運転周波数を変化させて可変速制御するインバータと、
   前記インバータにより、停止流量近傍において、予め定めた最高周波数にて運転した場合の運転電流より低い許容電流値を設定すると共に、停止流量近傍にて許容電流値にて運転した場合の吐出圧力より低い値の目標圧力を設定し、停止流量から前記許容電流値で運転した場合の吐出圧力が前記目標圧力と同じになる第１流量まで、前記目標圧力での吐出圧力一定制御を行い、前記第１流量から前記最高周波数での運転電流が前記許容電流値と同じになる第２流量まで前記許容電流値での電流一定制御を行い、前記第２流量以上では、前記最高周波数での運転周波数一定制御を行う制御部とを備えていることを特徴とする給水ユニット。