JP2018009500A - ボルテックス形ポンプ用羽根車及びボルテックス形ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の羽根形状を複雑に変形させることなくポンプ効率を向上させることができ、且つ、低コストで容易に製造することができるボルテックス形ポンプ用羽根車を提供する。【解決手段】ボルテックス形ポンプ用の羽根車であって、主板と主板に固定された複数の羽根とを備えており、複数の羽根のうち少なくとも１つの羽根が、少なくとも部分的に、主板から、羽根車の回転方向と逆方向に羽根車の中心軸に対して傾斜して延びる前方面と、全体的に、主板から、中心軸に対して平行又は回転方向に傾斜して延びる後方面とを備える、羽根車。【選択図】図２

Description

本発明は、ボルテックス形ポンプ用羽根車及びボルテックス形ポンプに関する。

ボルテックス形ポンプは、羽根車の羽根の下面と羽根車を収容するケーシング底面との間に大きな間隔を有している。従って、ボルテックス形ポンプは、異物によるポンプ内での閉塞事故の発生を防止することができる汚水・汚物用ポンプとして広く使用されている。

従来の一般的なボルテックス形ポンプの構造を図１０に示す。これは、主軸１を駆動するモータ部２と、主軸１の回転によって揚水を行うポンプ部３とを一体に備えている。そして、ポンプ部３の圧力水がモータ部２側へ漏洩しないように、ポンプ部３とモータ部２の間を上部メカニカルシール４ａ及び下部メカニカルシール４ｂで２重に軸封したものである。

モータ部２には、主軸１と一体に回転するロータ５と、ステータ巻線６を備えたステータ７とがモータ室８内に収納されている。このモータ室８は、上方に開口した略円筒状のモータフレーム１０とモータフレーム１０の上端に連結したモータカバー１１で水密的に封止されているとともに、上部には、水中ケーブル１２が接続されている。

そして、主軸１は、モータカバー１１に取付けた上部軸受１３とモータフレーム１０の下端に連結した負荷側ブラケット１４の内周面に取付けた下部軸受１５を介して回転自在に支承されている。更に、モータカバー１１の上面には、湧水現場への吊下げや移動を行なう把手１６が設けられている。

一方、ポンプ部３は、複数の羽根４０を有し主軸１の先端にこれと一体に回転するように連結されたボルテックス形ポンプ用羽根車４１を備えている。この羽根車４１は、吐出口４２ａと吸込口４２ｂを有し、内部をポンプ室４３としたポンプケーシング４２で覆われて、下部から湧水・汚水等を吸い込んで側面から吐出するようになっている。ここに、吐出口４２ａには、吐出曲管２４が連結されている。

羽根車４１の羽根４０の下端面とポンプケーシング４２の底面の間には、ボルテックス形ポンプの特徴である広い空隙が設けられており、比較的大きな異物でも容易に排出することができるようになっている。また、ポンプケーシング４２には、ポンプを自立させるようにしたポンプ台４５が取付けられている。

メカニカルシール４ａ，４ｂは、負荷側ブラケット１４とポンプケーシング４２とを接続する中間ケーシング３０と負荷側ブラケット１４とで区画されたメカニカルシール室３１内に配置され、この軸封部には、メカニカルシール摺動面の潤滑と冷却を行う油が封入されている。また、メカニカルシール４ａ，４ｂの寿命を長くするため、中間ケーシング３０と羽根車４１のボス部との間にオイルシール３２が組み込まれて、砂等の異物がメカニカルシール摺動面に接近するのを防いでいる。

ここで、従来のボルテックス形ポンプ用羽根車４１の形状の例を図１１に示す。図１１の例では、従来のボルテックス形ポンプ用羽根車４１は、互いに平行に延在する前方面４０ａ及び後方面４０ｂを有する複数の羽根４０を備えている。複数の羽根４０の各々は、シュラウド面４０ｃから羽根車４１の中心軸Ｃに対して平行に延在している。ここで、「
羽根の前方面」とは、羽根車４１の回転方向Ｒに関して前方を向く面を意味し、「羽根の後方面」とは、羽根車４１の回転方向Ｒに関して後方を向く面を意味する。

図１２は、図１０のポンプケーシング４２の内部を拡大して示す図である。吸込口４２ｂから吸い込まれた汚水は、回転する羽根車４１の羽根４０の間を通って半径方向外側（換言すれば、羽根車４１の外周側）に流れ、ポンプケーシング４２の側壁に衝突して軸方向に向きを変える。こうして、図１２の矢印Ｖで示すような渦流が形成される。渦の強さが大きいほど汚水は効率よく吐出口４２ａから排出される。

上記したように、ボルテックス形ポンプは、比較的大きな異物でも容易に排出することができるように、羽根車の羽根の下面とケーシング底面との間に大きな間隙を形成するように構成されている。これにより、異物によるポンプ内での閉塞事故の発生を低減することができる。しかし、この大きな間隙によって、ボルテックス形ポンプは、他のセミオープン羽根車やクローズ羽根車と比較して低いポンプ効率を有することが知られている。

特開昭６１−２７９７９８号は、渦ポンプの羽根車の各羽根にフランジ部を設けることにより、有害な流れを羽根内部から遮断しポンプ効率の向上を図っている。また、特開２００９−２９３５４７号は、羽根の前縁勾配を段階的に変化させることでボルテックスポンプのポンプ効率と異物通過性の両立を図っている。

特開昭６１−２７９７９８号 特開２００９−２９３５４７号

本発明の一つの目的は、従来の羽根形状を複雑に変形させることなくポンプ効率を向上させることができ、且つ、低コストで容易に製造することができるボルテックス形ポンプ用羽根車を提供することである。また、本発明のもう一つの目的は、従来の羽根形状を複雑に変形させることなくポンプ効率を向上させることができ、且つ、低コストで容易に製造することができるボルテックス形ポンプ用羽根車を備えるボルテックス形ポンプを提供することである。

本発明の一実施形態によれば、ボルテックス形ポンプ用の羽根車であって、主板と主板に固定された複数の羽根とを備えており、複数の羽根のうち少なくとも１つの羽根が、少なくとも部分的に、主板から、羽根車の回転方向と逆方向に羽根車の中心軸に対して傾斜して延びる前方面と、全体的に、主板から、中心軸に対して平行又は回転方向に傾斜して延びる後方面とを備える、羽根車が提供される。この構成によれば、少なくとも１つの羽根が、少なくとも部分的に、主板から、羽根車の回転方向と逆方向に羽根車の中心軸に対して傾斜して延びる前方面を備えている。従って、羽根の入口側から出口側に向けて流れる汚水は、ケーシングの側壁に到達する前に羽根の前方面の傾斜部によって軸方向に押される。これにより、汚水の軸方向の流れを強くすることができる。従って、羽根の前方面が中心軸に対して平行に延在する従来のボルテックス形ポンプと比較して、ポンプ効率を向上させることができる。また、汚水中の異物が羽根の出口側まで運ばれて羽根に引っ掛かるおそれを最小限にすることができる。従って、異物によって羽根車の回転が妨げられることがないので、従来技術と比較してポンプ効率を向上させることができる。さらに、少なくとも１つの羽根は、全体的に、主板から、中心軸に対して平行又は回転方向に傾斜して延びる後方面を備えているので、羽根車を型成形する際の型抜き、または羽根車のプ
レス成形が、羽根の形状によって妨げられることがない。従って、羽根車の製造を低コストで容易に行うことができる。

本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの羽根が、主板を貫通する中抜き部を備える。この構成によれば、羽根車を軽量化することができるので、材料費を低減することができる。従って、羽根車の製造コストをさらに低減することができる。

本発明の一実施形態によれば、羽根車は、中抜き部を覆うように主板に取り付けられる被覆部材を備える。この構成によれば、羽根車を軽量化しつつ、流体が中抜き部に侵入することによるポンプ効率の低下を防止することができる。

本発明の一実施形態によれば、上記のいずれかに記載の羽根車を備える、ボルテックス形ポンプが提供される。

本発明の第一実施形態によるボルテックス形ポンプの構造を示す図である。 本発明の第一実施形態によるボルテックス形ポンプ用羽根車を示す図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 ボルテックス形ポンプ用羽根車の比較例を説明する図である。 本発明の第一実施形態によるボルテックス形ポンプ用羽根車の製造方法の一例を説明する図である。 図３に対応する、本発明の第二実施形態によるボルテックス形ポンプ用羽根車を示す図である。 図３に対応する、本発明の第三実施形態によるボルテックス形ポンプ用羽根車を示す図である。 本発明の第三実施形態によるボルテックス形ポンプ用羽根車の下方斜視図である。 本発明の第三実施形態によるボルテックス形ポンプ用羽根車の上方斜視図である。 本発明の第三実施形態によるボルテックス形ポンプ用羽根車の製造方法の一例を説明する図である。 図３に対応する、本発明の第四実施形態によるボルテックス形ポンプ用羽根車を示す図である。 従来のボルテックス形ポンプの構造の例を示す図である。 従来のボルテックス形ポンプ用羽根車の例を示す図である。 図１０のケーシング内部の拡大図である。

図１は、本発明の第一実施形態によるボルテックス形ポンプの構造を示す図である。なお、図１０乃至図１２に示す従来例と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、図１に示すようにポンプ部３に複数の羽根５０を有し、主軸１の先端にこれと一体に回転するように連結されたボルテックス形ポンプ用羽根車５１が備えられた基本的な構造は、従来の技術と同様である。また、この羽根車５１は、吐出口５２ａと吸込口５２ｂを有しポンプ台５５に支持されたポンプケーシング５２によって覆われ、ポンプ室５３内に収納されている。ポンプケーシング５２の下部から湧水・汚水等を吸い込んでその側面から吐出するようになっている構造も、従来の技術と同様である。

図２は、本発明の第一実施形態によるボルテックス形ポンプ用羽根車５１を示す図であ
る。図２の例において、ボルテックス形ポンプ用羽根車５１は、シュラウド面５０ｃを有する主板５６と、主板５６に固定された複数の羽根５０とを備えている。主板５６から延在する各羽根５０は、前方面５０ａと後方面５０ｂを備えている。ここで、「羽根の前方面」とは、羽根車５１の回転方向Ｒに関して前方を向く面を意味し、「羽根の後方面」とは、羽根車５１の回転方向Ｒに関して後方を向く面を意味する。図２の例では、羽根車５１の複数の羽根５０のうち全ての羽根５０の前方面５０ａが、主板５６から、羽根車５１の回転方向Ｒと逆方向に羽根車５１の中心軸（換言すれば、回転中心軸）Ｃに対して傾斜して延びている。

図３は、図２のＡ−Ａ線断面図であり、羽根５０の出口側から羽根車５１の内部（すなわち、羽根車５１の周方向に隣接する羽根５０の間に形成される流路）を見た図である。図３に示すように、本実施形態では、各羽根５０の前方面５０ａは、中心軸Ｃに対して角度θ１だけ回転方向Ｒと逆方向に傾斜している。一方、各羽根５０の後方面５０ｂは、中心軸Ｃに対して実質的に平行である。

羽根４０の前方面４０ａが中心軸Ｃに対して平行に延びている従来のボルテックス形ポンプ用羽根車４１では、羽根４０の間を通る汚水が羽根４０の出口側でケーシング４２の側壁と衝突して軸方向流れを形成する。従って、衝突によるエネルギー損失により軸方向流れが弱いものとなる。一方、本実施形態では、羽根５０の前方面５０ａが、主板５６から、回転方向Ｒと逆方向に中心軸Ｃに対して傾斜して延びている。この傾斜する前方面５０ａは、図３の矢印Ｆで示すように、羽根５０の入口側から出口側に流れる汚水を、羽根５０の下面に向けて（すなわち、軸方向に向けて）押し出すように作用する。従って、軸方向の流れを強くすることができる。これにより、渦の強さを大きくすることができ、汚水を効率よく排出することができる。

第一実施形態では、羽根車５１の羽根５０の前方面５０ａが、全体的に、回転方向Ｒと逆方向に中心軸Ｃに対して傾斜している。しかし、本発明の他の実施形態によれば、羽根車５１の羽根５０の前方面５０ａは、部分的に中心軸Ｃに対して傾斜していてもよい。この場合でも、少なくとも、前方面５０ａの傾斜する部分によって汚水は軸方向に押し出されるので、渦の強さを従来よりも大きくすることができる。羽根車５１の羽根５０の前方面５０ａが部分的に傾斜する場合、羽根５０の出口側（換言すれば、羽根車５１の外周側）に位置する部分が傾斜することが好ましい。これにより、全体的に大きな強い渦流を形成することができる。

また、第一実施形態では、複数の羽根５０のうち全ての羽根５０の前方面５０ａが、回転方向Ｒと逆方向に中心軸Ｃに対して傾斜している。しかし、本発明の他の実施形態では、複数の羽根５０のうち一部の羽根５０が傾斜していてよい。この場合でも、少なくとも、傾斜する羽根５０の前方面５０ａを通過する汚水は軸方向に押し出されるので、渦の強さを従来よりも大きくすることができる。

また、羽根５０の前方面５０ａが回転方向Ｒと逆方向に中心軸Ｃに対して傾斜していることは、強い渦流を形成することができることに加えて、羽根車５１の内部に入り込んだ異物が羽根５０の出口側で引っ掛かり、羽根車５１の回転を妨げるおそれを最小限にすることができる効果を奏する。

さらに、上記したように、第一実施形態では、各羽根５０の後方面５０ｂは、中心軸Ｃに対して実質的に平行である。この構成により、従来の型成形（換言すれば、鋳造または射出成形）またはプレス成形による羽根車５１の製造を低コストで容易に行うことができる。このことを、図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。

図４Ａは、ボルテックス形ポンプ用羽根車５１の比較例として、互いに平行な前方面６０ａ及び後方面６０ｂを備えているボルテックス形ポンプ用羽根車６１の部分を示している。具体的には、図４Ａは、羽根６０の前方面６０ａ及び後方面６０ｂの各々が、羽根車６１の中心軸Ｃに対して傾斜しているボルテックス形ポンプ用羽根車６１を示している。図４Ａはまた、羽根車６１の成形用キャビティを形成する型７０も示している。型７０は、上型部分７０ａ及び下型部分７０ｂに二分割されている。これらの型部分７０ａ、７０ｂの間に形成された、成形品（すなわち、羽根車６１）と同一形状のキャビティ内に金属またはプラスチック材料を流し込むことができる。

このように二分割された型７０を用いて主板６６と羽根６０とが一体化された羽根車６１を成形する場合、成形品から型７０を分離する方向（換言すれば、型部分７０ａ、７０ｂを引き抜く方向）は、必然的に、羽根車６１の中心軸Ｃに沿う方向（図４Ａの上下方向）に制限される。しかし、比較例のように羽根６０の後方面６０ｂが前方面６０ａと同じ方向に傾斜していると、成形品から型７０を分離することが困難となる。具体的には、型７０を引き抜く際に、下型部分７０ｂにおける、羽根６０の後方面６０ｂと主板６６との間に存在する部分（図４Ａ中、７１で示す三角形状の部分）が後方面６０ｂと干渉し、下型部分７０ｂを成形品から分離することができない。従って、下型部分７０ｂをさらに分割する等の対策が必要となる。

これに対し、第一実施形態の羽根車５１は、羽根５０の後方面５０ｂが中心軸Ｃに対して実質的に平行である。従って、図４Ｂに示すように、成形品から型８０を分離する際に型８０が羽根５０と干渉する部分が存在しない。従って、羽根５０の形状に妨げられることなく、上型部分８０ａ及び下型部分８０ｂの各々を、成形品から容易に分離することができる。従って、羽根５０の前方面５０ａが傾斜したボルテックス形ポンプ用羽根車５１を低コストで容易に製造することができる。

尚、上記効果を得るように、後方面５０ｂは、全体的に（換言すれば、後方面５０ｂの全体が）、主板５６から、中心軸Ｃに対して平行又は回転方向Ｒに傾斜して延びている必要がある。図５は、図３に対応する、本発明の第二実施形態を示す図である。第二実施形態のボルテックス形ポンプ用羽根車１５１では、羽根１５０の後方面１５０ｂは、全体的に、主板１５６から、中心軸Ｃに対して回転方向Ｒに傾斜して延びている。その他の構成は、第一実施形態と同様である。第二実施形態において、後方面１５０ｂの傾斜角度θ２は、中心軸Ｃに対して回転方向Ｒに傾斜する角度であれば、特に限られない。換言すれば、中心軸Ｃに対する後方面１５０ｂの傾斜角度θ２は、０＜θ２＜９０である。この場合でも、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、θ２の値は、必ずしもθ１の値と同じでなくてもよい。

また、主板と羽根とが一体化された羽根車をプレス成形によって製造する場合においても第一及び第二実施形態は有利である。主板と羽根とが一体化された羽根車をプレス成形によって製造する場合、荷重は、羽根車の中心軸Ｃに沿う方向に掛けられる。しかし、図４Ａの比較例に示すように羽根６０の前方面６０ａ及び後方面６０ｂが互いに同じ方向に傾斜する場合、一度のプレス成形によって羽根車６１を製造することは困難である。例えば後方面６０ｂを傾斜させるために、追加のプレス工程が必要となる。

図６は、図３に対応する、本発明の第三実施形態を示す図である。第三実施形態のボルテックス形ポンプ用羽根車２５１は、羽根２５０が、主板２５６を貫通する中抜き部２５０ｄを備えている。換言すれば、羽根２５０が中抜き部２５０ｄを備えており、主板２５６が、中抜き部２５０ｄに連通する開口部を備えている。その他の点は、第一実施形態と同様である。第三実施形態では、中抜き部２５０ｄを形成することによって、羽根車２５１を軽量化することができる。従って、材料費を低減することができ、羽根車２５１の製
造コストをさらに低減することができる。図７Ａ、図７Ｂは、それぞれ、本発明の第三実施形態によるボルテックス形ポンプ用羽根車２５１の下方斜視図、上方斜視図である（尚、ここで「下方」、「上方」とは、図１における上下方向を意味する）。図８は、図４Ｂに対応する、第三実施形態によるボルテックス形ポンプ用羽根車２５１の製造方法の一例を説明する図である。図４Ｂの場合と同様に、型９０が羽根２５０と干渉する部分が存在しないことが分かる。

図９は、図３に対応する、本発明の第四実施形態を示す図である。第四実施形態のボルテックス形ポンプ用羽根車３５１は、主板３５６を貫通する中抜き部３５０ｄを覆うように主板３５６に取り付けられる被覆部材３５７を備えている。その他の点は、第三実施形態と同様である。主板３５６を貫通する中抜き部３５０ｄが外部に露出されていると、ポンプに吸い込まれた流体が中抜き部３５０ｄに流入するので、運転中のポンプ効率が低下する。第四実施形態では、被覆部材３５７によって、流体が中抜き部３５０ｄに流入することが防止される。従って、ポンプ効率を低下させることなく、羽根車３５１を軽量化することができる。被覆部材３５７は、例えば、溶接により主板３５６に取り付けることができる。

このように、本発明の各実施形態によれば、少なくとも１つの羽根の前方面は、少なくとも部分的に、主板から、羽根車の回転方向と逆方向に羽根車の中心軸に対して傾斜して延びている。従って、前方面を通過する汚水を軸方向に押し出すことができ、これにより、ポンプ効率を向上させることができる。さらに、少なくとも１つの羽根の後方面は、全体的に、主板から、中心軸に対して平行又は回転方向に傾斜して延びているので、羽根車を型成形する際の型抜きまたは羽根車のプレス成形を、羽根の形状に妨げられることなく行うことができる。従って、羽根車を低コストで容易に製造することができる。

尚、本発明の各実施形態は適宜組み合わせることができる。例えば、図５に示す第二実施形態の羽根１５０に、図６に示す第三実施形態のように中抜き部を形成することができ、さらに、図９に示すように、中抜き部を覆う被覆部材を主板１５６に取り付けることができる。

本発明は、ボルテックス形ポンプに広く適用することができる。

Ｒ…回転方向
Ｃ…中心軸
θ１…前方面の傾斜角度
θ２…後方面の傾斜角度
１…主軸
２…モータ部
３…ポンプ部
５…ロータ
６…ステータ巻線
７…ステータ
８…モータ室
１０…モータフレーム
１１…モータカバー
１２…水中ケーブル
１３…上部軸受
１４…負荷側ブラケット
１５…下部軸受
１６…把手
２４…吐出曲管
３０…中間ケーシング
３１…メカニカルシール室
３２…オイルシール
４０…羽根
４１…ボルテックス形ポンプ用羽根車
４２…ポンプケーシング
４３…ポンプ室
４５…ポンプ台
４ａ…上部メカニカルシール
４ｂ…下部メカニカルシール
５０…羽根
５１…ボルテックス形ポンプ用羽根車
５２…ポンプケーシング
５３…ポンプ室
５５…ポンプ台
５６…主板
４０ａ…前方面
４０ｂ…後方面
４０ｃ…シュラウド面
４２ａ…吐出口
４２ｂ…吸込口
５０ａ…前方面
５０ｂ…後方面
５０ｃ…シュラウド面
５２ａ…吐出口
５２ｂ…吸込口
６０…羽根
６０ａ…前方面
６０ｂ…後方面
６１…ボルテックス形ポンプ用羽根車
６６…主板
７０…型
７０ａ…上型部分
７０ｂ…下型部分
７１…干渉部
８０、９０…型
８０ａ、９０ａ…上型部分
８０ｂ、９０ｂ…下型部分
１５０、２５０、３５０…羽根
１５０ａ、２５０ａ、３５０ａ…前方面
１５０ｂ、２５０ｂ、３５０ｂ…後方面
１５０ｃ…シュラウド面
１５１、２５１、３５１…ボルテックス形ポンプ用羽根車
１５６、２５６、３５６…主板
２５０ｄ、３５０ｄ…中抜き部
３５７…被覆部材

Claims (4)

1. ボルテックス形ポンプ用の羽根車であって、主板と前記主板に固定された複数の羽根とを備えており、前記複数の羽根のうち少なくとも１つの羽根が、少なくとも部分的に、前記主板から、前記羽根車の回転方向と逆方向に前記羽根車の中心軸に対して傾斜して延びる前方面と、全体的に、前記主板から、前記中心軸に対して平行又は前記回転方向に傾斜して延びる後方面とを備える、羽根車。
2. 前記少なくとも１つの羽根が、前記主板を貫通する中抜き部を備える、請求項１に記載の羽根車。
3. 前記中抜き部を覆うように前記主板に取り付けられる被覆部材を備える、請求項２に記載の羽根車。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の羽根車を備える、ボルテックス形ポンプ。

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