JP2017082747A - 多段ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、かつ軽量の多段ポンプを提供する。
【解決手段】多段ポンプは、複数段の羽根車２と、複数段の羽根車２を収容するケーシング組立体と、ケーシング組立体を構成する複数の構成部材の間の隙間を封止する複数のシール部材４０，４１，４２，４３とを備える。複数のシール部材４０，４１，４２，４３のうちの少なくとも１つは、カーボンから形成された、またはカーボンを含有した材料から形成されたカーボンシールである。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を移送する多段ポンプに関する。

液体を数ＭＰａ〜数十ＭＰａの高い圧力で移送することができるポンプとして、高圧多段ポンプがある。高圧多段ポンプは様々な用途に使用され、例えば、危険な液体を高い圧力で移送するために使用される。このような高圧多段ポンプには、液体の高圧に耐え、かつ液体が外部に漏れないように、ケーシング（中胴）の外側にさらにケーシング（外胴）を設けた二重ケーシング構造が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の高圧多段ポンプのケーシングは、中胴、外胴、カバーフランジなどを含む複数の構成部材からなるケーシング組立体から構成されている。これらの構成部材は複数のボルトによって互いに組み付けられる。液体が構成部材の隙間から外部に漏れないようにするために、構成部材の間には合成ゴムからなる平板状の環状シールが設けられる。

特開２０１３−２１３４９３号公報

高圧多段ポンプ内を流れる液体は高圧であるため、環状シールがそのシール機能を十分に発揮できるように、上述したボルトで環状シールを締め付ける必要がある。しかしながら、合成ゴムからなる環状シールは比較的硬いため、環状シールを変形させるのに十分な締結力を発生することができる大きなボルトを使用する必要がある。このため、ボルトのみならず、ボルト穴が形成されている外胴などの構成部材も大きくしなければならず、ポンプの外径が大きくなり、結果的にポンプの重量が増加してしまう。

さらに、ケーシング組立体に複数の環状シールが設けられる場合には、これらの環状シールのシール機能にばらつきが起こることがある。つまり、ケーシング組立体を構成する構成部材の間の隙間の大きさにばらつきがあると、環状シールに作用するボルトの力が異なってくる。このため、ある環状シールは十分なシール機能を発揮できず、その一方で他の環状シールには過大な力が加わり、環状シールが破損するおそれがある。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、液体の漏洩を確実に防止しつつ、ケーシング組立体に使用されるボルトを小さくすることができる多段ポンプを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、複数段の羽根車と、前記複数段の羽根車を収容するケーシング組立体と、前記ケーシング組立体を構成する複数の構成部材の間の隙間を封止する複数のシール部材とを備え、前記複数のシール部材のうちの少なくとも１つは、カーボンから形成された、またはカーボンを含有した材料から形成されたカーボンシールであることを特徴とする多段ポンプである。

本発明の好ましい態様は、前記ケーシング組立体は、前記複数段の羽根車を収容する中胴と、前記中胴を収容する外胴と、前記外胴の吐出側開口を閉じるカバーフランジとを含み、前記カーボンシールは、前記外胴と前記カバーフランジとの間に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記カーボンシールは、さらに前記中胴と前記外胴との間にも配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ケーシング組立体は、前記外胴の吸込側開口を閉じる吸込側フランジをさらに含み、前記カーボンシールは、さらに前記外胴と前記吸込側フランジとの間にも配置されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記ケーシング組立体は、前記中胴を収容する中胴カバーをさらに含み、前記外胴は前記中胴および前記中胴カバーを収容するように構成され、前記カーボンシールは、さらに前記中胴カバーと前記外胴との間にも配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記カーボンシールは膨張黒鉛から形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記中胴および前記外胴はそれぞれ複数の環状段部を有しており、前記カーボンシールは、前記中胴の環状段部と前記外胴の環状段部との間に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記外胴および前記中胴カバーは環状段部を有しており、前記カーボンシールは、前記中胴カバーの環状段部と前記外胴の環状段部との間に配置されていることを特徴とする。

本発明の他の態様は、複数段の羽根車と、前記複数段の羽根車を収容するケーシング組立体と、前記ケーシング組立体を構成する複数の構成部材の間の隙間を封止する複数のシール部材とを備え、前記複数のシール部材のうちの少なくとも１つは、液体の圧力を受けたときにシール機能を発揮することができる自緊式シールであることを特徴とする多段ポンプである。

本発明の好ましい態様は、前記ケーシング組立体は、前記複数段の羽根車を収容する中胴と、前記中胴を収容する外胴と、前記外胴の吐出側開口を閉じるカバーフランジとを含み、前記自緊式シールは、前記外胴と前記カバーフランジとの間に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記自緊式シールは、さらに前記中胴と前記外胴との間にも配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ケーシング組立体は、前記外胴の吸込側開口を閉じる吸込側フランジをさらに含み、前記自緊式シールは、さらに前記外胴と前記吸込側フランジとの間にも配置されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記ケーシング組立体は、前記中胴を収容する中胴カバーをさらに含み、前記外胴は前記中胴および前記中胴カバーを収容するように構成され、前記自緊式シールは、さらに前記中胴カバーと前記外胴との間にも配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記中胴の外周面と前記外胴の内周面とにより嵌め合い部が構成され、前記中胴は前記外胴の内周面により芯出しされていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記自緊式シールはオムニシールであることを特徴とする。

カーボンシールは変形しやすく、また自緊式シールは液体の圧力に追従してシール機能を発揮することができるので、これらのシールは十分なシール機能を発揮することができる。したがって、ボルトを締め付ける力は小さな力で済むため、ケーシング組立体に小さなボルトを使用することができ、ボルト穴も小さくできる。結果として、ポンプ全体のサイズを小さくすることができ、さらにはポンプの重量を低減することができる。さらに、カーボンシールまたは自緊式シールからなる複数のシール部材を設けた場合でも、十分なシール機能を発揮することができる。

本発明の一実施形態に係る多段ポンプを示す断面図である。 カーボンシールからなる第１シール部材、中胴、および外胴を示す拡大断面図である カーボンシールからなる第２シール部材、中胴、および外胴を示す拡大断面図である。 カーボンシールからなる第３シール部材、外胴、およびカバーフランジを示す拡大断面図である。 カーボンシールからなる第４シール部材、吸込側フランジ、および外胴を示す拡大断面図である。 自緊式シールの構造を説明するための模式断面図である。 自緊式シールからなる第１シール部材を示す図である。 自緊式シールからなる第２シール部材を示す図である。 自緊式シールからなる第３シール部材を示す図である。 自緊式シールからなる第４シール部材を示す図である。 本実施形態に係る多段ポンプを組み立てる様子を示す模式図である。 本実施形態に係る多段ポンプを組み立てる様子を示す模式図である。 本実施形態に係る多段ポンプを組み立てる様子を示す模式図である。 図１４（ａ）は一段目の中胴の外周面と外胴の内周面とから構成される嵌め合い部を備えた実施形態を示す拡大図であり、図１４（ｂ）は四段目の中胴の外周面と外胴の内周面とから構成される嵌め合い部を備えた実施形態を示す拡大図である。 中胴が外胴に挿入される工程を示す模式断面図である。 嵌め合いによって外胴に挿入されるカバーフランジを示す模式断面図である。 シール部材の吐出側（高圧側）に嵌め合い部が形成された実施形態を示す模式図である。 さらに他の実施形態に係る多段ポンプの一部を示す模式断面図である。 中胴カバーの組み立てを説明するための模式図である。 図２０（ａ）は中胴カバーをその軸方向から見た図であり、図２０（ｂ）は中胴カバーの断面図である。 図１８に示す外胴と中胴カバーとの間に設けられたシール部材を示す拡大断面図である。 環状段部が設けられた中胴カバーを示す模式断面図である。 テーパー状の中胴カバーを示す模式断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図２３において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る多段ポンプを示す断面図である。図１に示すように、多段ポンプは、軸１に固定された複数の羽根車２を備えている。羽根車２を取り囲むように複数の中胴３Ａ〜３Ｈ（以下、中胴３Ａ〜３Ｈを総称して中胴３と呼ぶことがある）が配置されている。最終段の中胴３Ｈに隣接してディフューザーリング１２が配置されている。各中胴３の内部にはガイドベーン５が配置されており、各段の羽根車２で昇圧された液体を次の段の羽根車２に導くようになっている。中胴３は、軸方向（軸１の延びる方向）に沿って重ね合わされており、これら中胴３は複数の通しボルト５０により互いに固定されている。さらに、これら中胴３を囲むように外胴８が配置されている。外胴８には液体の吸込口９および吐出口１０が設けられている。これら中胴３および外胴８により、二重ケーシング構造が構成されている。

軸１の端部は図示しない駆動機（例えばモータ）に連結され、この駆動機により羽根車２が回転するようになっている。羽根車２が回転すると、吸込口９から液体が吸い込まれて羽根車２に導かれ、各羽根車２によって順次昇圧される。中胴３と外胴８との間の空間は昇圧された液体で満たされ、吐出口１０から液体が排出される。中胴３は、昇圧される途中の液体と昇圧された液体とを仕切る機能を有し、外胴８は、昇圧された液体の外部への漏洩を防止する機能を有する。

各中胴３とガイドベーン５との間には位置決めピン７が装着されており、この位置決めピン７により中胴３とガイドベーン５との相対位置が固定されている。外胴８の吸込側には、外胴８の吸込側開口を閉じる吸込側フランジ８０が設けられている。外胴８の吐出側には、外胴８の吐出側開口を閉じるカバーフランジ３０が設けられている。外胴８の吐出側端面には締結具としてのボルト３５が係合するボルト孔３６が形成され、カバーフランジ３０にはボルト孔３６と一直線に並ぶ通孔３７が形成されている。ボルト３５は、通孔３７を通じてボルト孔３６に挿入され、ボルト３５を締め付けることによってカバーフランジ３０が外胴８に固定される。図１では１つのボルト３５のみが示されているが、複数のボルト３５、複数の通孔３７、および複数のボルト孔３６が軸１の周りに設けられている。

外胴８の吸込側端面には締結具としてのボルト５５が係合するボルト孔５６が形成され、吸込側フランジ８０にはボルト孔５６と一直線に並ぶ通孔５７が形成されている。ボルト５５は通孔５７を通じてボルト孔５６に挿入され、ボルト５５を締め付けることによって吸込側フランジ８０が外胴８に固定される。図１では１つのボルト５５のみが示されているが、複数のボルト５５、複数の通孔５７、および複数のボルト孔５６が軸１の周りに設けられている。本実施形態では、中胴３、外胴８、ディフューザーリング１２、カバーフランジ３０、吸込側フランジ８０によってケーシング組立体が構成されている。

中胴３と外胴８との間には、中胴３と外胴８との間の隙間を封止するための第１シール部材４０および第２シール部材４１が配置されており、外胴８とカバーフランジ３０との間には、外胴８とカバーフランジ３０との間の隙間を封止するための第３シール部材４２が配置されている。シール部材４０，４１，４２は環状であり、軸１と同心状に配置されている。ボルト３５を締め付けると、ボルト３５の締結力がシール部材４０，４１，４２に作用し、シール部材４０，４１，４２が弾性変形する。その結果、中胴３と外胴８との間の隙間、および外胴８とカバーフランジ３０との間の隙間がこれらシール部材４０，４１，４２によって封止される。

図２は第１シール部材４０、中胴３、および外胴８を示す拡大断面図である。図２に示すように、第１シール部材４０は、一段目の中胴３Ａと外胴８との間に配置されている。中胴３Ａの外周面には環状段部４５が設けられており、外胴８には環状段部５１が設けられている。第１シール部材４０は、環状段部４５と環状段部５１との間に配置されている。ボルト３５を締め付けると、第１シール部材４０は中胴３Ａによって外胴８に押し付けられ、中胴３Ａと外胴８との間の隙間を封止する。

図３は第２シール部材４１、中胴３、および外胴８を示す拡大断面図である。図３に示すように、第２シール部材４１は、四段目の中胴３Ｄと外胴８との間に配置されている。中胴３Ｄの外周面には環状段部４６が設けられており、外胴８には環状段部５２が設けられている。第２シール部材４１は、環状段部４６と環状段部５２との間に配置されている。ボルト３５を締め付けると、第２シール部材４１は中胴３Ｄによって外胴８に押し付けられ、中胴３Ｄと外胴８との間の隙間を封止する。

図４は第３シール部材４２、外胴８、およびカバーフランジ３０を示す拡大断面図である。図４に示すように、第３シール部材４２は、外胴８とカバーフランジ３０との間に配置されている。カバーフランジ３０には環状段部４７が設けられている。外胴８には環状段部４８が設けられている。第３シール部材４２は、環状段部４７と環状段部４８との間に配置されている。ボルト３５を締め付けると、第３シール部材４２はカバーフランジ３０によって外胴８に押し付けられ、カバーフランジ３０と外胴８との間の隙間を封止する。

本実施形態では、シール部材４０，４１，４２は、カーボンから形成された、またはカーボンを含有した材料から形成されたカーボンシールである。好ましくは、シール部材４０，４１，４２は、グラファイト（黒鉛）から形成され、またはグラファイトを含有した材料から形成されている。さらに好ましくは、シール部材４０，４１，４２は、膨張黒鉛から形成され、または膨張黒鉛を含有した材料から形成されている。

カーボンは有機化合物やグラファイト（ＳＰ^２）やダイヤモンド（ＳＰ^３）などの結晶構造を含む混合物である。特に、カーボンがグラファイトの結晶構造（すなわち、原子が横方向に結合しているシート構造（グラフェン）が積層した結晶構造）を多く含むと、その結晶構造の特徴から、カーボンはシート面方向の力に対して柔軟になる。したがって、シール部材４０，４１，４２に加わる押圧力が小さくても、これらシール部材４０，４１，４２は容易に弾性変形する。

膨張黒鉛から形成された、または膨張黒鉛を含有した材料から形成されたシール部材４０，４１，４２は優れた耐熱性を有しているため、ポンプの使用温度の上限を上げることができる。例えば、シール部材４０，４１，４２が膨張黒鉛を含有した材料（高分子材料）から形成されている場合、シール部材４０，４１，４２は約４５０℃までの温度に耐えることができる。高分子材料として、例えば、ポリウレタン、ゴムが挙げられる。シール部材４０，４１，４２が膨張黒鉛のみから形成されている場合、シール部材４０，４１，４２は約３０００℃までの温度に耐えることができる。したがって、多段ポンプを高温環境で使用することができる。

上述したように、カーボンシールからなるシール部材４０，４１，４２は柔軟であるため、シール部材４０，４１，４２に加わる力が比較的小さくても、容易に弾性変形し、外胴８と中胴３との間の隙間および外胴８とカバーフランジ３０との間の隙間を十分に封止することができる。したがって、径がより小さく、より短いボルト３５を使用することが可能となる。さらに、外胴８およびカバーフランジ３０に形成されたボルト孔３６および通孔３７を小さくすることができる。

このように、本実施形態によれば、径が小さく、より短いボルト３５を使用することができるので、外胴８およびカバーフランジ３０の外径を小さくすることができ、しかもカバーフランジ３０を薄くすることができる。したがって、多段ポンプ全体のサイズを小さくすることができ、多段ポンプの重量を低減することができる。

一般に、ボルト３５の必要締結力は以下の式で表すことができる。
必要締結力＝カバーフランジ３０にかかる液体の圧力＋シール部材４０，４１，４２を 弾性変形させるのに必要な力
カーボンシールからなるシール部材４０，４１，４２を用いることで、上記式の第２項に示される「シール部材４０，４１，４２を弾性変形させるのに必要な力」を小さくすることができる。したがって、サイズのより小さなボルト３５を使用することができる。

図１に示すように、吸込側フランジ８０と外胴８との間にはカーボンシールである第４シール部材４３が配置されている。図５は第４シール部材４３、吸込側フランジ８０、および外胴８を示す拡大断面図である。図５に示すように、吸込側フランジ８０と外胴８との間には第４シール部材４３が配置されている。第４シール部材４３は環状であり、軸１と同心状に配置されている。第４シール部材４３はシール部材４０，４１，４２と同じ材料から形成されている。外胴８の吸込側端面には環状段部４４が設けられている。第４シール部材４３は吸込側フランジ８０と環状段部４４との間に配置されている。ボルト５５（図１参照）を締め付けると、第４シール部材４３は吸込側フランジ８０によって外胴８に押し付けられ、吸込側フランジ８０と外胴８との間の隙間を封止する。

本実施形態によれば、多段ポンプの重量を従来の多段ポンプと比較して大幅に削減することができる。加えて、多段ポンプの製造コストおよび製造時間を低減することができ、さらには多段ポンプの納期を短縮することができる。本実施形態によれば、多段ポンプの製造コストを大きく削減することができる。

さらに、本実施形態によれば、多段ポンプの搬送および設置するのに必要な輸送装置、組み込み時のクレーン、治具設備に至るまでの作業時間、使用エネルギーの低減を実現することができる。すなわち、製品ライフサイクルにおいて、二酸化炭素（ＣＯ_２）を削減することができるので、環境に対する負荷を低減することができる。

さらに、本実施形態によれば、カーボンシールからなるシール部材４０，４１，４２は、ボルト３５の比較的小さな締結力を受けて容易に変形できるので、それぞれのシール部材４０，４１，４２は十分なシール機能を発揮することができる。シール部材４３もボルト５５の比較的小さな締結力を受けて容易に変形できるので、十分なシール機能を発揮することができる。

カーボンシールからなるシール部材４０，４１，４２，４３に代えて、液体の圧力を受けてシール機能を発揮する自緊式シールを用いてもよい。図６は自緊式シールの構造を説明するための模式断面図である。図６に示すように、自緊式シール６０は、Ｕ字形状の断面を有するカバーリング６１と、カバーリング６１内に収容されるスプリングリング６２とを備えている。自緊式シール６０は環状である。自緊式シール６０は、カバーリング６１の開口部が高圧側を向いた状態で配置される。自緊式シール６０の外周面および内周面は部材６５，６６の面にそれぞれ接触している。なお、部材６５，６６は自緊式シール６０の機能を説明するための部材である。

カバーリング６１は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から構成される樹脂カバーであり、スプリングリング６２は金属から構成される。ポリテトラフルオロエチレンから構成されたカバーリング６１は優れた耐熱性を有しており、例えば、約３００℃までの温度に耐えることができる。自緊式シール６０の代表例として、オムニシールが挙げられる。

流体がカバーリング６１の内部に流入すると、流体の圧力（矢印Ａで示す）によってカバーリング６１の外周面および内周面が部材６５，６６にそれぞれ押し付けられ（矢印Ｂで示す）、これにより部材６５，６６の間の隙間が自緊式シール６０によって封止される。流体の圧力が高いほど、カバーリング６１は部材６５，６６に強く押し付けられ、自緊式シール６０はより強力なシール機能を発揮する。このように、自緊式シール６０は、流体の圧力を受けることによってシール機能を発揮することができるように構成されている。スプリングリング６２は、流体の圧力が加わっていないときのカバーリング６１の形状を保持するために設けられる。

図７乃至図１０は自緊式シールであるオムニシールからなるシール部材７０，７１，７２，７３を示す図である。図７に示すように、第１シール部材７０は、その開口部が高圧側を向いた状態で、中胴３Ａの環状段部４５と外胴８の環状段部５１とで形成された環状空間内に配置されている。第１シール部材７０の外周面は外胴８の内周面に接触し、第１シール部材７０の内周面は中胴３Ａの外周面に接触している。高圧の液体が第１シール部材７０内に流入すると、液体の圧力が第１シール部材７０の外周面および内周面を外胴８および中胴３Ａにそれぞれ押し付ける。このようにして、第１シール部材７０は中胴３Ａと外胴８との間の隙間を封止する。

図８に示すように、第２シール部材７１は、その開口部が高圧側を向いた状態で、中胴３Ｄの環状段部４６と外胴８の環状段部５２とで形成された環状空間内に配置されている。第２シール部材７１の外周面は外胴８の内周面に接触し、第２シール部材７１の内周面は中胴３Ｄの外周面に接触している。高圧の液体が第２シール部材７１内に流入すると、液体の圧力が第２シール部材７１の外周面および内周面を外胴８および中胴３Ｄにそれぞれ押し付ける。このようにして、第２シール部材７１は中胴３Ｄと外胴８との間の隙間を封止する。

図９に示すように、第３シール部材７２は、その開口部が高圧側を向いた状態で、外胴８の環状段部４８とカバーフランジ３０の環状段部４７とで形成された環状空間内に配置されている。第３シール部材７２の外周面は外胴８の内周面に接触し、第３シール部材７２の内周面はカバーフランジ３０の外周面に接触している。高圧の液体が第３シール部材７２内に流入すると、液体の圧力が第３シール部材７２の外周面および内周面を外胴８およびカバーフランジ３０にそれぞれ押し付ける。このようにして、第３シール部材７２はカバーフランジ３０と外胴８との間の隙間を封止する。

図１０に示すように、第４シール部材７３は、その開口部が高圧側を向いた状態で、外胴８の環状段部４４と吸込側フランジ８０の外周面とで形成された環状空間内に配置されている。第４シール部材７３の外周面は外胴８の内周面に接触し、第４シール部材７３の内周面は吸込側フランジ８０の外周面に接触している。液体が第４シール部材７３内に流入すると、液体の圧力が第４シール部材７３の外周面および内周面を外胴８および吸込側フランジ８０にそれぞれ押し付ける。このようにして、第４シール部材７３は外胴８と吸込側フランジ８０との間の隙間を封止する。

自緊式シールであるオムニシールからなるシール部材７０，７１，７２，７３を用いることで、羽根車２で昇圧された液体の圧力を余すことなく利用することができる。さらに、ボルト３５のサイズを小さくすることができるので、外胴８およびカバーフランジ３０のサイズを小さくすることができる。同様に、ボルト５５のサイズを小さくすることができるので、外胴８および吸込側フランジ８０のサイズを小さくすることができる。結果として、多段ポンプのサイズを小さくし、かつ多段ポンプの重量を低減することができる。

シール部材４０，４１，４２，４３およびシール部材７０，７１，７２，７３を組み合わせて使用してもよい。つまり、中胴３Ａと外胴８との間にシール部材４０またはシール部材７０を配置し、中胴３Ｄと外胴８との間にシール部材４１またはシール部材７１を配置し、外胴８とカバーフランジ３０との間にシール部材４２またはシール部材７２を配置してもよい。外胴８と吸込側フランジ８０との間にシール部材４３またはシール部材７３を配置してもよい。

図１１乃至図１３は本実施形態に係る多段ポンプを組み立てる様子を示す模式図である。図１１乃至図１３では、多段ポンプは模式的に描かれている。図１１に示すように、軸１、羽根車２、および中胴３を予め組み立て、中胴３にシール部材７０，７１を取り付ける。そして、この組立体を外胴８の吐出側開口から外胴８内に挿入する。次に、図１２に示すように、シール部材７２が外周面に取り付けられたカバーフランジ３０によって、外胴８の吐出側開口を閉じる。カバーフランジ３０および外胴８にボルト３５を挿入し、ボルト３５を締め付けて、カバーフランジ３０を外胴８に固定する。

その後、図１３に示すように、外胴８の吸込側開口をシール部材７３が外周面に取り付けられた吸込側フランジ８０によって閉じる。ボルト５５によって吸込側フランジ８０を外胴８に締結する。このようにして、多段ポンプが組み立てられる。図１１乃至図１３では、オムニシールからなるシール部材７０，７１，７２，７３が使用されているが、カーボンシールからなるシール部材４０，４１，４２，４３を使用した場合でも同様の工程で多段ポンプを組み立てることができる。

図１４（ａ）は、中胴３Ａの外周面と外胴８の内周面とから構成される嵌め合い部８２を備えた実施形態を示す拡大図である。図１４（ａ）に示すように、嵌め合い部８２は、中胴３Ａの外周面の一部と外胴８の内周面の一部とから構成されており、この嵌め合い部８２はシール部材７０の低圧側（吸込側）に位置している。中胴３Ａを外胴８に挿入するときに、嵌め合い部８２において中胴３Ａは外胴８の内周面に案内され、これによって中胴３Ａの芯出しが達成される。

嵌め合い部８２の吸込側（低圧側）において、中胴３Ａの外周面の一部はテーパー面８５から構成されている。このテーパー面８５では、中胴３Ａの外径が吸込側（低圧側）に向かって徐々に小さくなっている。シール部材７０を、中胴３Ａの外周面に取り付けるとき、テーパー面８５はシール部材７０を傷付けずに該シール部材７０を中胴３Ａの環状段部４５に向かって案内することができる。

図１４（ｂ）は中胴３Ｄの外周面と外胴８の内周面とから構成される嵌め合い部８３を備えた実施形態を示す拡大図である。図１４（ｂ）に示すように、嵌め合い部８３は、中胴３Ｄの外周面の一部と外胴８の内周面の一部とから構成されており、シール部材７１の低圧側（吸込側）に位置している。中胴３Ｄを外胴８に挿入するときに、嵌め合い部８３において中胴３Ｄは外胴８の内周面に案内され、これによって中胴３Ｄの芯出しが達成される。

嵌め合い部８３の吸込側（低圧側）において、中胴３Ｄの外周面の一部はテーパー面８６から構成されている。このテーパー面８６では、中胴３Ｄの外径が吸込側（低圧側）に向かって徐々に小さくなっている。シール部材７１を、中胴３Ｄの外周面に取り付けるとき、テーパー面８６はシール部材７１を傷付けずに該シール部材７１を中胴３Ｄの環状段部４６に向かって案内することができる。

嵌め合い部８２，８３として、「すきまばめ」または「中間ばめ」を採用することができる。「すきまばめ」とは、外胴８の内周面と中胴３の外周面との間に隙間が形成される嵌め合いである。「中間ばめ」とは、外胴８の内周面と中胴３の外周面との間に隙間または締め代のどちらかが形成される嵌め合いである。締め代とは、中胴３の外径が外胴８の内径よりも僅かに大きいことを意味する。

図１５は、中胴３が外胴８に挿入される工程を示す模式断面図である。図１５に示すように、シール部材７０，７１が中胴３に装着された状態で、中胴３は、嵌め合い部８２，８３に案内されながら、外胴８に挿入される。嵌め合い部８２，８３において、中胴３が外胴８に嵌合されると、軸１の軸心は外胴８の中心線に一致する。

このように、嵌め合い部８２，８３によって中胴３が芯出しされた状態で中胴３が外胴８に挿入されるので、シール部材７０，７１には大きなせん断力が生じない。したがって、シール部材７０，７１を破壊することなく、中胴３を外胴８に組み込むことができる。さらに、本実施形態によれば、中胴３を軸１の軸方向から外胴８に挿入すればよいので、中胴３を外胴８に簡単に組み込むことができる。

図１６は、嵌め合いによって外胴８に挿入されるカバーフランジ３０を示す模式断面図である。図１６に示すように、カバーフランジ３０の外周面と外胴８の内周面とから嵌め合い部９４が構成される。シール部材７２が予め装着されたカバーフランジ３０を外胴８に挿入するときに、嵌め合い部９４においてカバーフランジ３０は外胴８の内周面に案内され、これによってカバーフランジ３０の芯出しが達成される。このように、嵌め合い部９４によってカバーフランジ３０が芯出しされた状態でカバーフランジ３０が外胴８に挿入されるので、シール部材７２には大きなせん断力が生じない。

図１７は、シール部材７０，７１の吐出側（高圧側）に嵌め合い部９０が形成された実施形態を示す模式図である。図１７に示すように、シール部材７０，７１が中胴３に装着された状態で、中胴３は、嵌め合い部９０に案内されながら、外胴８に挿入される。中胴３が外胴８に嵌合されると、軸１の軸心は外胴８の中心線に一致する。

中胴３の外周面に形成されている環状段部の数は、上述した実施形態に限定されない。また、上述した実施形態では、中胴３の外径が吐出側に向かって徐々に大きくなるように、複数の環状段部が中胴３の外周面に形成されているが、中胴３の外径が吸込側に向かって徐々に大きくなるように、複数の環状段部が中胴３の外周面に形成されてもよい。さらに、中胴３に環状段部を設ける代わりに、中胴３の外周面をテーパー形状としてもよい。図示しないが、吸込側フランジ８０の外周面と外胴８の内周面とから嵌め合い部を構成してもよい。

図１８は、さらに他の実施形態に係る多段ポンプの一部を示す模式断面図である。軸１、羽根車２、ガイドベーン５の構成は、上述した構成と同じであるので、その重複する説明を省略する。

本実施形態では、中胴３Ａ〜３Ｄを締結するための通しボルトは設けられておらず、代わりに中胴カバー２０が設けられている。この中胴カバー２０は、第１の固定機構２３および第２の固定機構３１によって中胴３Ａ〜３Ｄに固定されている。本実施形態では、中胴３、外胴８、中胴カバー２０、第１の固定機構２３、および第２の固定機構３１によってケーシング組立体が構成される。中胴カバー２０は円筒形状を有しており、中胴３Ａ〜３Ｄは中胴カバー２０に収容されている。中胴３Ａ〜３Ｄおよび中胴カバー２０を囲むように外胴８が設けられている。図示しないが、外胴８とカバーフランジ３０との間にはシール部材４２またはシール部材７２が配置されており、外胴８と吸込側フランジ８０との間にはシール部材４３またはシール部材７３が配置されている。

図１９は、中胴カバー２０の組み立てを説明するための模式図であり、図２０（ａ）は中胴カバー２０をその軸方向から見た図であり、図２０（ｂ）は中胴カバー２０の断面図である。１段目の中胴３Ａの外周面には、第１のねじ２４が螺合される複数の第１のねじ穴２６が形成されている。中胴カバー２０の周壁には、第１のねじ２４を通すための複数の通孔２５が形成されている。中胴カバー２０には、その周壁から半径方向内側に延びるフランジ部２１が形成されており、これらフランジ部２１には複数の第２のねじ穴３３が形成されている。複数の通孔２５は中胴カバー２０の一方の端部に位置しており、フランジ部２１および複数の第２のねじ穴３３は中胴カバー２０の他方の端部に位置している。

図１９に示すように、軸１に沿って積み重ねられた中胴３Ａ〜３Ｄには、円筒状の中胴カバー２０が被せられる。この状態で、第１のねじ２４を通孔２５を通じて第１のねじ穴２６に挿入し、第１のねじ２４の頭部が通孔２５内に位置するまで第１のねじ２４を第１のねじ穴２６に螺合する。これにより、中胴カバー２０と一段目の中胴３Ａとの相対位置が固定される。このように、第１のねじ２４、第１のねじ穴２６、および通孔２５は、中胴カバー２０と中胴３Ａの相対位置を固定するための第１の固定機構２３を構成する。

さらに、ディフューザーリング１２を最終段の中胴３Ｄの側面に取り付け、この状態で、第２のねじ３２をディフューザーリング１２の通孔１２ａを通じて第２のねじ穴３３に挿入し、これら第２のねじ３２を締め付けることにより、ディフューザーリング１２で最終段の中胴３Ｄを軸方向に押し付ける。これにより、中胴３Ａ〜３Ｄは互いに締め付けられる。第２のねじ３２、ディフューザーリング１２の通孔１２ａ、および第２のねじ穴３３は軸１の軸方向に延びている。したがって、第２のねじ３２を締め付けることによって、ディフューザーリング１２は押し付け部材として最終段の中胴３Ｄを一段目の中胴３Ａに向かって押し付け、中胴３Ａ〜３Ｄは互いに締め付けられる。すなわち、一段目の中胴３Ａとディフューザーリング１２との間に他の中胴３Ｂ，３Ｃ，３Ｄが挟まれる。このように、第２のねじ３２、ディフューザーリング１２、および第２のねじ穴３３は、中胴３Ａ〜３Ｄの相対位置を固定するための第２の固定機構３１を構成する。

図１８に示すように、一段目の中胴３Ａの吸込側端面と外胴８との間には第１シール部材７５が配置されている。第１シール部材７５は上述したカーボンシールである。中胴３Ａの形状および外胴８の形状によっては、上述した自緊式シールを中胴３Ａと外胴８との間に配置してもよい。さらに、外胴８と中胴カバー２０との間には第２シール部材７６が配置されている。図２１は、図１８に示す第２シール部材７６を示す拡大断面図である。図２１に示すように、シール部材７６は上述した自緊式シールとしてのオムニシールである。第２シール部材７６は、その開口部が高圧側を向いて配置されている。第２シール部材７６の外周面は外胴８の内周面に接触し、第２シール部材７６の内周面は中胴カバー２０の外周面に接触している。高圧の液体が第２シール部材７６内に流入すると、液体の圧力が第２シール部材７６の外周面および内周面を外胴８および中胴カバー２０にそれぞれ押し付ける。このようにして、第２シール部材７６は中胴カバー２０と外胴８との間の隙間を封止する。

図１８に示す例では、第１シール部材７５および第２シール部材７６が配置されているが、第１シール部材７５または第２シール部材７６のいずれか一方のみを配置してもよい。

中胴カバー２０に、シール部材を配置するための環状段部を設けてもよい。この場合、中胴カバー２０の外径が吐出側に向かって徐々に大きくなるように、複数の環状段部が中胴カバー２０の外周面に形成されてもよいし、または中胴カバー２０の外径が吸込側に向かって徐々に大きくなるように、複数の環状段部が中胴カバー２０の外周面に形成されてもよい。さらに、中胴カバー２０に環状段部を設ける代わりに、中胴カバー２０の外周面をテーパー形状としてもよい。

図２２は環状段部が設けられた中胴カバー２０を示す模式断面図である。図２３はテーパー状の中胴カバー２０を示す模式断面図である。図２２および図２３に示す例では、カーボンシールであるシール部材４０，４１は外胴８と中胴カバー２０との間に配置されている。さらに、カーボンシールであるシール部材４２は外胴８とカバーフランジ３０との間に配置され、カーボンシールであるシール部材４３は外胴８と吸込側フランジ８０との間に配置されている。図２２に示すように、シール部材４０，４１は中胴カバー２０の環状段部と外胴８の環状段部との間に配置されている。

図２３に示す例では、中胴カバー２０の外径が吸込側（低圧側）に向かって徐々に小さくなるように、中胴カバー２０の外周面はテーパー形状を有している。しかしながら、中胴カバー２０の外径が吐出側（高圧側）に向かって徐々に小さくなるように、中胴カバー２０の外周面をテーパー形状としてもよい。図２３に示すように、シール部材４０，４１は外胴８の内周面と中胴カバー２０の外周面との間に挟まれて弾性変形し、中胴カバー２０と外胴８との間の隙間がシール部材４０，４１によって封止される。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 軸
２ 羽根車
３Ａ〜３Ｈ 中胴
５ ガイドベーン
７ 位置決めピン
８ 外胴
９ 吸込口
１０ 吐出口
１２ ディフューザーリング
２０ 中胴カバー
２１ フランジ部
２３ 第１固定機構
２４ 第１のねじ
２５ 通孔
２６ 第１のねじ穴
３０ カバーフランジ
３１ 第２固定機構
３２ 第２のねじ
３３ 第２のねじ穴
３５ ボルト
３６ ボルト孔
３７ 通孔
４０，４１，４２，４３ シール部材
４４，４５，４６，４８，５１，５２ 環状段部
５０ 通しボルト
５５ ボルト
５６ ボルト孔
５７ 通孔
６０ 自緊式シール
６１ カバーリング
６２ スプリングリング
６５，６６ 部材
７０，７１，７２，７３，７５，７６ シール部材
８０ 吸込側フランジ
８２，８３，９０，９４ 嵌め合い部
８５，８６ テーパー面

Claims (15)

1. 複数段の羽根車と、
   前記複数段の羽根車を収容するケーシング組立体と、
   前記ケーシング組立体を構成する複数の構成部材の間の隙間を封止する複数のシール部材とを備え、
   前記複数のシール部材のうちの少なくとも１つは、カーボンから形成された、またはカーボンを含有した材料から形成されたカーボンシールであることを特徴とする多段ポンプ。
2. 前記ケーシング組立体は、前記複数段の羽根車を収容する中胴と、前記中胴を収容する外胴と、前記外胴の吐出側開口を閉じるカバーフランジとを含み、
   前記カーボンシールは、前記外胴と前記カバーフランジとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多段ポンプ。
3. 前記カーボンシールは、さらに前記中胴と前記外胴との間にも配置されていることを特徴とする請求項２に記載の多段ポンプ。
4. 前記ケーシング組立体は、前記外胴の吸込側開口を閉じる吸込側フランジをさらに含み、
   前記カーボンシールは、さらに前記外胴と前記吸込側フランジとの間にも配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の多段ポンプ。
5. 前記ケーシング組立体は、前記中胴を収容する中胴カバーをさらに含み、
   前記外胴は前記中胴および前記中胴カバーを収容するように構成され、
   前記カーボンシールは、さらに前記中胴カバーと前記外胴との間にも配置されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の多段ポンプ。
6. 前記カーボンシールは膨張黒鉛から形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多段ポンプ。
7. 前記中胴および前記外胴はそれぞれ複数の環状段部を有しており、
   前記カーボンシールは、前記中胴の環状段部と前記外胴の環状段部との間に配置されていることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載の多段ポンプ。
8. 前記外胴および前記中胴カバーは環状段部を有しており、
   前記カーボンシールは、前記中胴カバーの環状段部と前記外胴の環状段部との間に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の多段ポンプ。
9. 複数段の羽根車と、
   前記複数段の羽根車を収容するケーシング組立体と、
   前記ケーシング組立体を構成する複数の構成部材の間の隙間を封止する複数のシール部材とを備え、
   前記複数のシール部材のうちの少なくとも１つは、液体の圧力を受けたときにシール機能を発揮することができる自緊式シールであることを特徴とする多段ポンプ。
10. 前記ケーシング組立体は、前記複数段の羽根車を収容する中胴と、前記中胴を収容する外胴と、前記外胴の吐出側開口を閉じるカバーフランジとを含み、
    前記自緊式シールは、前記外胴と前記カバーフランジとの間に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の多段ポンプ。
11. 前記自緊式シールは、さらに前記中胴と前記外胴との間にも配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の多段ポンプ。
12. 前記ケーシング組立体は、前記外胴の吸込側開口を閉じる吸込側フランジをさらに含み、
    前記自緊式シールは、さらに前記外胴と前記吸込側フランジとの間にも配置されていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の多段ポンプ。
13. 前記ケーシング組立体は、前記中胴を収容する中胴カバーをさらに含み、
    前記外胴は前記中胴および前記中胴カバーを収容するように構成され、
    前記自緊式シールは、さらに前記中胴カバーと前記外胴との間にも配置されていることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の多段ポンプ。
14. 前記中胴の外周面と前記外胴の内周面とにより嵌め合い部が構成され、
    前記中胴は前記外胴の内周面により芯出しされていることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の多段ポンプ。
15. 前記自緊式シールはオムニシールであることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか一項に記載の多段ポンプ。

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