JP2017210930A - 渦流ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離板で生じるエネルギー損失を抑え、ポンプの効率低下を抑制することのできる渦流ポンプを提供する。【解決手段】渦流ポンプ１は、インペラ３の回転によって吸い込まれた液体を吐出する吐出口が形成されたケーシング２を備える。ケーシング２は、インペラ３が収容される渦室２４と、渦室２４から吐出口２２まで液体を案内する気液分離室２６と、を備える。気液分離室２６における渦室２５側の領域には、当該領域を分けて２つの流路を形成するための気液分離板２６１が設けられている。２つの流路のうち、インペラ３の回転方向の下流側に位置する一方の流路は、渦室２４から吐出された液体が流れる吐出流路２７である。気液分離板２６１における吐出流路２７の入口側の角部２６２はＲ形状に形成されている。吐出流路２７における気液分離板２６１の角部２６２よりも出口側は、当該吐出流路２７の流れ方向に沿って徐々に拡大している。【選択図】図２

Description

本発明は、渦流ポンプに関する。

渦流ポンプにおいては、外周部に複数の羽根を有するインペラがケーシング内に回転自在に収容されている。ケーシングには、液体を吸い込む吸込口及び液体を吐出する吐出口が形成されており、ケーシング内を液体で充満させた状態でインペラを回転駆動させることにより、吸込口から吸い込んだ液体を吐出口から吐出していた。

従来では、インペラよりも下流の地点に、吸い込んだ気水混合液を分流する気液分離板（分流壁）を有する渦流ポンプが知られている（例えば特許文献１参照。）この渦流ポンプでは、気液分離板があることにより、一旦インペラから吐き出された気水混合液が再度インペラへと戻る流路が形成される。このように、気水混合液が気水分離板の周囲を循環することで、液中の空気が排除されるようになっている。

実開平３−２１５９２号公報

ところで、気液分離板があると、その部分において水流のエネルギー損失が生じ、ポンプの効率が低下してしまうおそれがあった。

このため、本発明は、気液分離板で生じるエネルギー損失を抑え、ポンプの効率低下を抑制することのできる渦流ポンプを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る渦流ポンプは、インペラと、インペラを回転自在に収容し、インペラの回転によって吸い込まれた液体を吐出する吐出口が形成されたケーシングと、を備え、ケーシングは、インペラが収容される渦室と、渦室から吐出口まで液体を案内するとともに、液体内の気泡を取り除くための気液分離室と、を備え、気液分離室における渦室側の領域には、当該領域を分けて２つの流路を形成するための気液分離板が設けられており、２つの流路のうち、インペラの回転方向の下流側に位置する一方の流路は、渦室から吐出された液体が流れる吐出流路であり、他方の流路は、渦室に戻る液体が流れる戻り流路であり、気液分離板における吐出流路の入口側の角部はＲ形状に形成されており、吐出流路における気液分離板の角部よりも出口側は、当該吐出流路の流れ方向に沿って徐々に拡大している。

本発明によれば、気液分離板で生じるエネルギー損失を抑え、ポンプの効率低下を抑制することが可能な渦流ポンプを提供することができる。

実施の形態に係る渦流ポンプの外観を示す斜視図である。 実施の形態に係る渦流ポンプの内部構造を示す断面図である。 図２の渦流ポンプからインペラを取り除いた状態を示す断面図である。 比較例に係る角部がＲ形状でない場合の流速ベクトル分布を示す説明図である。 実施の形態に係る角部がＲ形状である場合の流速ベクトル分布を示す説明図である。 実施の形態に係る気液分離板の主面の一例を示す断面図である。 実施の形態に係る気液分離板の主面の他の一例を示す断面図である。 変形例に係る気液分離板を示す断面図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態の順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。

［全体構成］
以下、実施の形態に係る渦流ポンプについて説明する。図１は、実施の形態に係る渦流ポンプ１の外観を示す斜視図である。図２は、実施の形態に係る渦流ポンプ１の内部構造を示す断面図である。図３は、図２の渦流ポンプ１からインペラ３を取り除いた状態を示す断面図である。なお、図２においては、自吸時における渦流ポンプ１内部の液体及び気泡の状態を模式的に図示している。また、図２においては、インペラ３は断面図ではなく、正面図としている。

図１〜図３に示すように、渦流ポンプ１は、ケーシング２と、インペラ３と、カバー４とを備えており、ケーシング２に収納されて、カバー４で覆われたインペラ３を回転させることで、水などの液体を吸い込んで、吐出するポンプである。以下、各部について具体的に説明する。

ケーシング２は、水などの液体を吸い込む吸込口２１と、液体を外部へ吐出する吐出口２２とを備えている。吸込口２１は、ケーシング２の一側面に形成されており、図示しない配管が取り付けられる。吐出口２２は、ケーシング２の上面に形成されており、図示しない配管が取り付けられる。ケーシング２の上面には、自吸時に必要な呼び水が注がれる注入口２３が形成されている。注入口２３には、図示しない着脱自在の栓が取り付けられるようになっている。そして、注入口２３は、ケーシング２の上面であって吸込口２１に近い側の端部に配置されており、吐出口２２は、ケーシング２の上面であって吸込口２１から遠い側の端部に配置されている。

ケーシング２の内部には、インペラ３を回転自在に収納する渦室２４と、吸込口２１から吸い込まれた液体を渦室２４まで案内する吸込流路２５と、渦室２４から吐出口２２まで液体を案内する気液分離室２６とが形成されている。

渦室２４は、ケーシング２における下部に形成されており、これにより吸込口２１、吐出口２２及び注入口２３よりも下方に配置されている。渦室２４には、図３に示すように、インペラ３の外周部に対応する部分に円弧状に形成された渦室流路２４１が形成されている。

吸込流路２５は、上下方向に延在する流路であり、その上端部が吸込口２１に連通し、下端部が渦室流路２４１の一端部に連通している。また、渦室２４には、インペラ３の回転軸３２が貫通する軸孔２４２が形成されている。渦室２４は開放されており、インペラ３が渦室２４内に収容されると、インペラ３の一方の主面が露出した状態となる。このため、図１に示すように、ケーシング２には、インペラ３を覆うようにカバー４が取り付けられている。

図２に示すように、インペラ３は、回転することにより、液体にエネルギーを与えるための回転体である。具体的に、インペラ３は外周部に複数の羽根３１を有している。また、インペラ３の回転軸３２には、ケーシング２の軸孔２４２を介して、図示しないモータが連結されている。インペラ３は、モータを駆動源として回転するようになっている。インペラ３が回転することによって、当該インペラ３の複数の羽根３１で渦室２４内の液体を気液分離室２６に吐出する。

図２及び図３に示すように、気液分離室２６は、渦室２４の上方に配置されており、上底が下底よりも広い略台形状の断面形状を有している。気液分離室２６の下部は、渦室流路２４１の他端部に連通しており、上部は吐出口２２及び注入口２３に連通している。

また、気液分離室２６における渦室２４側の領域、つまり、気液分離室２６における下部領域には、当該領域に直面するインペラ３の回転方向（図２における矢印Ｙ１参照）で、この領域を分けて２つの流路を形成するための気液分離板２６１が設けられている。本実施の形態では、吸込流路２５に近い側が回転方向の下流側となり、吸込流路２５に対して遠い側が回転方向の上流側となる。気液分離板２６１は、板状の壁体であり、気液分離室２６内において、上下方向に沿うように配置されている。このため、２つの流路も上下方向に沿う経路を形成している。気液分離板２６１は、ケーシング２とともに樹脂により一体成形されている。ケーシング２及び気液分離板２６１を一体成形する樹脂としては、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）または、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ＡＢＳ樹脂等が挙げられる。

気液分離板２６１によって形成された２つの流路のうち、回転方向の下流側に位置する一方の流路は、渦室２４から吐出された液体が流れる吐出流路２７であり、他方の流路は、渦室２４に戻る液体が流れる戻り流路２８である。

気液分離板２６１におけるインペラ３側の一対の角部のうち、吐出流路２７側の角部２６２はＲ形状に形成されている。つまり、気液分離板２６１における吐出流路２７の入り口側の角部２６２はＲ形状に形成されている。具体的に角部２６２の表面は、吐出流路２７側に向けて凸となる湾曲面となっている。

ここで、角部２６２の形状は、吐出流路２７内における液体の流れに影響を与える。例えば、角部２６２がＲ形状でない場合（比較例）と、角部２６２がＲ形状である場合（実施の形態）とを、それぞれモデル化してシミュレーションを実行し、吐出流路２７内で生じる流速ベクトル分布を求めた。

図４は、比較例に係る角部２６２がＲ形状でない場合の流速ベクトル分布を示す説明図である。図５は、実施の形態に係る角部２６２がＲ形状である場合の流速ベクトル分布を示す説明図である。なお、比較例においては、角部２６２が略９０度である場合を例示している。また、図４及び図５においては、吐出流路２７内の各線は、それぞれの位置での流速ベクトルを示している。また、各線の濃淡は流速を示し、濃い方が早く、淡い方が遅い。

比較例では、図４に示すように、吐出流路２７における角部２６２の近傍で気液分離板２６１から剥離する流れが生じていることが分かる。これにより、吐出流路２７内で複数の渦Ｓ１が発生するため、エネルギー損失が生じる。

他方、実施の形態では、図５に示すように、吐出流路２７における角部２６２の近傍で気液分離板２６１から剥離する流れが生じていないことが分かる。これにより、吐出流路２７内では出口付近で渦Ｓ２が発生するものの、渦Ｓ２の発生量を抑えることができ、エネルギー損失を低減することができる。

なお、上記のシミュレーションでは、気液分離板２６１における吐出流路２７をなす主面２６３を平面としている。しかし、気液分離板２６１の主面２６３の形状を調整することで、よりエネルギー損失を抑えることが可能である。

図６は、実施の形態に係る気液分離板２６１の主面２６３の一例を示す断面図である。なお、図６において、矢印Ｙ５は吐出流路２７における流れ方向を示し、矢印Ｙ６は戻り流路２８における流れ方向を示している。

図６に示すように、気液分離板２６１の主面２６３には、複数の凹部２６４が形成されている。凹部２６４は、吐出流路２７における流れ方向に沿って延在するスリット形状に形成されている。この凹部２６４によって、微細な乱流が発生するため、気液分離板２６１から液体が受ける抵抗を低減することができる。これにより、気液分離板２６１から剥離する流れを抑制することができ、渦の発生も抑えることができる。

なお、凹部２６４は、渦の発生を抑えることができるのであれば如何なる形状であってもよい。凹部２６４のその他の形状としてはディンプル形状などが挙げられる。

図７は、実施の形態に係る気液分離板２６１の主面２６３の他の一例を示す断面図である。なお、図６は図７に対応する図である。

図７に示すように、気液分離板２６１の主面２６３には、複数の凸部２６５が形成されている。凸部２６５は、吐出流路２７における流れ方向に沿って延在するフィン形状に形成されている。この凸部２６５によって、微細な乱流が発生するため、気液分離板２６１から液体が受ける抵抗を低減することができる。これにより、気液分離板２６１から剥離する流れを抑制することができ、渦の発生も抑えることができる。

なお、凸部２６５は、渦の発生を抑えることができるのであれば如何なる形状であってもよい。凸部２６５のその他の形状としてはリブレット形状などが挙げられる。

そして、図２及び図３に示すように、吐出流路２７における角部２６２よりも出口側は、吐出流路２７の流れ方向に沿って徐々に拡大している。具体的には、気液分離板２６１は、吐出流路２７が流れ方向に沿って徐々に拡大するように、ケーシング２における吐出流路２７をなす内面２９に対して傾いて配置されている。これにより、吐出流路２７においては、入口側よりも出口側の水圧が小さくなるので、吐出流路２７全体においてもエネルギー損失を抑制することができる。

ここで、吐出流路２７における角部２６２に対向する部分の流路長Ｌ１（図３参照）は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。この範囲内に流路長Ｌ１が収まっていると、当該流路長Ｌ１内においては、吐出流路２７の流路断面が急激に変化しないので、気液分離板２６１から剥離する流れをより抑制することができる。流路長Ｌは、角部２６２の円周長さと近似すると、流路長Ｌ≒（角部２６２の曲率半径）×２×π×９０／３６０で表される。具体的に、角部２６２の曲率半径が２ｍｍである場合には、流路長Ｌ≒３．１４ｍｍとなる。

なお、角部２６２の曲率半径、吐出流路２７の形状、及び流路長Ｌ１などは、種々の実験、シミュレーション、経験則によって適切な値に決定されている。

［渦流ポンプの動作］
次に、渦流ポンプ１の動作について図２に基づいて説明する。

まず、作業者は、注入口２３から呼び水（液体）を注いで、少なくとも渦室２４を液体で満たし、注入口２３に栓をする。

次いで、作業者は、モータを駆動し、インペラ３を回転させると、吸込流路２５を介して吸込口２１から配管内空気の吸込みが発生する。

吸込口２１から吸い込まれた液体は、吸込流路２５を介して渦室２４の渦室流路２４１に流れ込む（矢印Ｙ２）。渦室流路２４１ではインペラ３が回転しているので、当該回転によって渦室流路２４１内の水が、気液分離室２６の吐出流路２７に案内され、吐出流路２７から、気液分離板２６１よりも上方に放出される（矢印Ｙ３）。吐出流路２７から放出された液体は、縦方向の渦流（矢印Ｙ４）となる。この渦流によって、渦室２４内に戻る液体の流れＲも発生する。流れＲは、気液分離板２６１によって、戻り流路２８に向かう第１の流れＲ１と、吐出流路２７から吐出した液体に向かう第２の流れＲ２とに分流される。第２の流れＲ２に乗った液体は、吐出流路２７から吐出した液体と合流する。第１の流れＲ１に乗った液体は、戻り流路２８及び渦室２４を通過してから吐出流路２７に至る。液体は気液分離室２６内を循環する。インペラ３の回転と液体の循環により、配管内の空気は液体と混合されて気泡となり、気泡の一部は吐出口２２から外部へ排出される。これにより配管内の真空度が高まり、配管内の水位を引き上げる（自吸）。

そして、吸込流路２５を介して吸込口２１から液体が渦室２４へと流れ込み、気液分離室２６が液体によってある程度満たされると、吐出口２２から液体が吐出され、通常運転に切り替わる。

［まとめ］
以上説明したように、本実施の形態に係る渦流ポンプ１は、インペラ３と、インペラ３を回転自在に収容し、インペラ３の回転によって吸い込まれた液体を吐出する吐出口２２が形成されたケーシング２と、を備えている。ケーシング２は、インペラ３が収容される渦室２４と、渦室２４から吐出口２２まで液体を案内するとともに、液体内の気泡Ｂを取り除くための気液分離室２６と、を備えている。気液分離室２６における渦室２４側の領域には、当該領域を分けて２つの流路を形成するための気液分離板２６１が設けられている。２つの流路のうち、インペラ３の回転方向の下流側に位置する一方の流路は、渦室２４から吐出された液体が流れる吐出流路２７であり、他方の流路は、渦室２４に戻る液体が流れる戻り流路２８である。気液分離板２６１における吐出流路２７の入口側の角部２６２はＲ形状に形成されている。吐出流路２７における気液分離板２６１の角部２６２よりも出口側は、当該吐出流路２７の流れ方向に沿って徐々に拡大している。

この構成によれば、気液分離板２６１における吐出流路２７の入口側の角部２６２がＲ形状に形成されているので、当該角部２６２の近傍で流れが気液分離板２６１から剥離することを抑制することができる。したがって、吐出流路２７内の渦Ｓ２の発生量を抑えることができ、エネルギー損失を低減することができる。

また、吐出流路２７における角部２６２よりも出口側は、吐出流路２７の流れ方向に沿って徐々に拡大しているので、吐出流路２７内においては、入口側よりも出口側の水圧が小さくなる。したがって、吐出流路２７全体においてもエネルギー損失を抑制することができる。

これらのことにより、気液分離板２６１で生じるエネルギー損失を抑え、渦流ポンプ１の効率低下を抑制することが可能である。

また、吐出流路２７における角部２６２に対向する部分の流路長Ｌ１は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。

この構成によれば、この範囲内に流路長Ｌ１が収まっていると、当該流路長Ｌ１内においては、吐出流路２７の流路断面が急激に変化しないので、気液分離板２６１から剥離する流れをより抑制することができる。

また、気液分離板２６１における吐出流路２７側の主面２６３には、複数の凹部２６４が形成されている。

この構成によれば、複数の凹部２６４が気液分離板２６１の主面２６３に形成されているので、気液分離板２６１から液体が受ける抵抗を低減することができる。これにより、気液分離板２６１から剥離する流れを抑制することができ、渦の発生も抑えることができる。

また、気液分離板２６１における吐出流路２７側の主面２６３には、複数の凸部２６５が形成されている。

この構成によれば、複数の凸部２６５が気液分離板２６１の主面２６３に形成されているので、気液分離板２６１から液体が受ける抵抗を低減することができる。これにより、気液分離板２６１から剥離する流れを抑制することができ、渦の発生も抑えることができる。

また、ケーシング２及び気液分離板２６１は、樹脂により一体成形されている。

この構成によれば、ケーシング２及び気液分離板２６１が樹脂により一体成形されているので、気液分離板２６１の設計上の自由度を高めることができる。

［その他の実施の形態］
以上、実施の形態に係る渦流ポンプ１について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。なお、以下の説明において、上記実施の形態と同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。

例えば、上記実施の形態では、気液分離板２６１に対して表面処理を行っていない場合を例示して説明した。しかし、気液分離板の主面に対して、親水処理または疎水処理を施してもよい。

図８は、変形例に係る気液分離板２６１ａを示す断面図である。図８に示すように、気液分離板２６１ａの主面２６３ａには、表面処理によって形成された表面層２６６ａが形成されている。この表面層２６６ａは、表面処理が親水処理であった場合には親水層となる。親水処理としては、例えば、サンドブラスト処理、酸素プラズマ処理、酸化チタン粒子による超親水処理などが挙げられる。他方、表面層２６６ａは、表面処理が疎水処理であった場合には疎水層となる。疎水処理としては、例えば、フッ素コート、ＯＤＳ(Octa Decyl Silyl)等のシランカップリング剤による表面処理などが挙げられる。

このように、親水性或いは疎水性の表面層２６６ａが気液分離板２６１ａの主面２６３ａに形成されているので、気液分離板２６１に沿って液体が流れやすくなる。したがって、渦の発生を一層抑制することができる。

以上、一つまたは複数の態様に係る照明装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

本発明の１つ以上の態様を詳細に記載し図示してきたが、ほんの一例であり、制限的なものによって取られるべきではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲の用語によって限定されると明確に理解される。

また、上記実施の形態及び上記変形例をそれぞれ組み合わせてもよい。

１ 渦流ポンプ
２ ケーシング
３ インペラ
２２ 吐出口
２４ 渦室
２６ 気液分離室
２７ 吐出流路
２８ 戻り流路
２６１、２６１ａ 気液分離板
２６２ 角部
２６３、２６３ａ 主面
２６４ 凹部
２６５ 凸部
Ｂ 気泡

Claims (6)

1. インペラと、
   前記インペラを回転自在に収容し、前記インペラの回転によって吸い込まれた液体を吐出する吐出口が形成されたケーシングと、を備え、
   前記ケーシングは、
   前記インペラが収容される渦室と、
   前記渦室から前記吐出口まで液体を案内するとともに、液体内の気泡を取り除くための気液分離室と、を備え、
   前記気液分離室における前記渦室側の領域には、当該領域を分けて２つの流路を形成するための気液分離板が設けられており、
   前記２つの流路のうち、前記インペラの回転方向の下流側に位置する一方の流路は、前記渦室から吐出された液体が流れる吐出流路であり、他方の流路は、前記渦室に戻る液体が流れる戻り流路であり、
   前記気液分離板における前記吐出流路の入口側の角部はＲ形状に形成されており、
   前記吐出流路における前記気液分離板の前記角部よりも出口側は、当該吐出流路の流れ方向に沿って徐々に拡大している
   渦流ポンプ。
2. 前記吐出流路における前記角部に対向する部分の流路長は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である
   請求項１に記載の渦流ポンプ。
3. 前記気液分離板における前記吐出流路側の主面には、複数の凹部が形成されている
   請求項１または２に記載の渦流ポンプ。
4. 前記気液分離板における前記吐出流路側の主面には、複数の凸部が形成されている
   請求項１または２に記載の渦流ポンプ。
5. 前記気液分離板における前記吐出流路側の主面は、親水処理または疎水処理が施されている
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の渦流ポンプ。
6. 前記ケーシング及び前記気液分離板は、樹脂により一体成形されている
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の渦流ポンプ。

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