JP2019065741A - ポンプケーシングおよびポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ効率が高く、設置スペースが小さいポンプケーシングおよびポンプであって、鋳造では加工が困難な材質を用いることが可能なポンプケーシングおよびポンプを提供する。【解決手段】ポンプケーシングは、略直角に湾曲した流路と軸貫通用の開口とを有するケーシング本体と、ケーシング本体内に内包された軸シールを固定するための仕切り平板と、仕切り平板と前記ケーシング本体内面との隙間に被せられた被せ板と、を備える。ケーシング本体は、プレス成型された複数の分割体であって、周方向に並んで配置され隣り同士で溶接された複数の分割体を有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、ポンプケーシングおよびポンプに係り、特に略直角に湾曲した流路を有するポンプケーシングおよびポンプに関する。

現在、略直角に湾曲した流路を有するポンプケーシングとしては、通常は３分割のエビ管形状の製缶ポンプケーシングが用いられている。この製缶ポンプケーシングは、３つの直管状の分割体が互いに異なる角度で溶接されて作製される。しかしながら、このような３分割のエビ管形状では、流路形状が滑らかでないため、流体抵抗が大きく、ポンプ効率が低くなるという問題がある。また、エビ管の分割数を増やして滑らかな３次元形状を作製しようとすると、溶接線が多くなるため、生産性が悪く製造コストが高くなり、実用に耐えなかった。

一方、鋳造技術によれば滑らかな３次元形状を作製できるものの、鋳型を作ることから製造コストが高くなり、また肉厚が大きくなる。軽量化のために肉薄にしようとすると、鋳造欠陥（いわゆる「巣」）が生じ易く、製作の歩留まりが悪くなる。また欠陥部に対して修正作業が必要となる。さらに、取り扱い流体が腐食性流体の場合、チタン（Ｔｉ）やニッケル（Ｎｉ）、スーパーオーステナイト、ニッケル基耐食合金などの耐食性の材質でケーシングを作製する必要があるが、これらの材質については鋳造で製作することが現実的には極めて難しい。

なお、特許文献１には、容易に意図した形状のエビ管を製造するために、パイプ材を予め定めた特定形状に分割して溶接する技術が開示されている。

特開２０１５−１００８２５号公報

滑らかな３次元形状のポンプケーシングを作製するために、プレス成型製缶によってエビ管の各分割体を滑らかな形状で製作する方法が考えられる。しかしながら、ポンプケーシングには、通常のエルボとは異なり、羽根車を回転させる軸を通すための軸シール部を設ける必要がある。プレス成型製缶によってエビ管の各分割体を滑らかな形状で製作する方法では、軸シール部をケーシング内部に設けることができないから、ケーシングの外側に軸シール部が飛び出してしまい、結果的に、大きなケーシングスペースが必要になり、設置スペースも大きくなってしまう。

本発明は、このような点を考慮して創案されたものである。本発明の目的は、ポンプ効率が高く、設置スペースが小さいポンプケーシングおよびポンプであって、鋳造では加工が困難な材質を用いることが可能なポンプケーシングおよびポンプを提供することにある。

本発明によるポンプケーシングは、
略直角に湾曲した流路と軸貫通用の開口とを有するケーシング本体と、
前記ケーシング本体内に内包された軸シールを固定するための仕切り平板と、
前記仕切り平板と前記ケーシング本体内面との隙間に被せられた被せ板と、
を備え、
前記ケーシング本体は、プレス成型された複数の分割体であって、周方向に並んで配置され隣り同士で溶接された複数の分割体を有する。

本発明によれば、プレス成型された複数の分割体が周方向において隣り同士で溶接されることで、流路形状として滑らかな３次元形状を作製することが可能であり、これにより、流体抵抗が小さくなり、ポンプ効率が高くなる。また、ケーシング本体が鋳造ではなく、プレス成型された複数の分割体の組み合わせにより筒状に形成されるため、ケーシング本体の材質として、鋳造では加工が困難な難加工材料を用いることが可能である。さらに、軸シールを固定するための仕切り平板がケーシング本体内に内包されているため、軸シールがポンプケーシングの外側に突き出ることがなく、設置スペースを小さくできる。

本発明によるポンプケーシングにおいて、
前記流路の湾曲方向外周側で溶接された２枚の分割体は、溶接線が前記流路の湾曲方向最外周部から外れて位置するように、互いに異なる形状を有していてもよい。

このような態様によれば、流路の湾曲方向外周側はポンプ動作時に応力が高くなるものの、溶接線が流路の湾曲方向最外周部から外れて位置するため、当該溶接線に高い応力が作用することが回避され、ケーシング本体の強度を高めることができる。また、強度を確保したまま分割体の板材の厚みを薄くすることができ、これにより、ケーシング本体の軽量化が可能となる。

本発明によるポンプケーシングにおいて、
前記ケーシング本体は、前記複数の分割体に溶接された羽根車を収納する直管部をさらに有してもよい。

このような態様によれば、羽根車を収納する直管部が、周方向に溶接された複数の分割体とは別部材であるため、直管部の設計の自由度が比較的大きく、羽根車と直管内面とのクリアランスを狭くしてポンプ効率を高めるという設計が容易である。

本発明によるポンプケーシングにおいて、
前記ケーシング本体の材質は、チタン、ニッケル、スーパーオーステナイトまたはニッケル基耐食合金であってもよい。

このような態様によれば、ポンプにて海水、酸・アルカリ水のような腐食性流体を取り扱うことが可能となる。

本発明は、上記したいずれかの特徴を有するポンプケーシングを備えたポンプである。

本発明によれば、ポンプ効率が高く、設置スペースが小さいポンプケーシングおよびポンプであって、鋳造では加工が困難な材質を用いることが可能なポンプケーシングおよびポンプを提供することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係るポンプの構造を示す概略図である。 図２は、図１に示すポンプのポンプケーシングを流体用の第２開口側から見た斜視図である。 図３は、図２に示すポンプケーシングを縦に切断した断面を示す図である。 図４は、図１に示すポンプのポンプケーシングを軸貫通用の開口側から見た斜視図である。 図５は、図４に示すポンプケーシングの縦断面図である。 図６は、図５に示すポンプケーシングのうち符号Ａを付した２点鎖線で囲まれた領域を拡大して示す図である。 図７は、本件発明者らによるポンプ性能試験の結果を示すグラフである。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本明細書に添付する図面においては、図示の理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

図１は、本発明の一実施の形態に係るポンプ１の構造を示す概略図である。図２は、ポンプ１のポンプケーシング１０を流体用の第２開口２２側から見た斜視図である。図３は、図２に示すポンプケーシング１０を縦に切断した断面を示す図である。図４は、ポンプケーシング１０を軸貫通用の開口２３側から見た斜視図である。図５は、図４に示すポンプケーシング１０の縦断面図である。図６は、図５に示すポンプケーシング１０のうち符号Ａを付した２点鎖線で囲まれた領域を拡大して示す図である。なお、図１では、上向きに開口する流体用の第１開口２１から吸い込む流体を左向きに開口する流体用の第２開口２２から吐き出すようにポンプ１の流路方向が白抜きの矢印で図示されているが、左向きに開口する流体用の第２開口２２から吸い込む流体を上向きに開口する流体用の第１開口２１から吐き出すように図示された矢印とは逆の流路方向でポンプ１を使用することも可能である。

図１に示すように、ポンプ１は、流体用の第１開口２１および第２開口２２を有するポンプケーシング１０と、ポンプケーシング１０内に収容された羽根車１６と、ポンプケーシング１０に設けられた軸シール１５を貫通して延びて、一端が羽根車１６に同軸状に固定されたシャフト１４と、シャフト１４の他端に同軸状に固定されたプーリ１７と、プーリ１７に回転動力を伝達する電動機（図示しない）と、を備えている。

このうちポンプケーシング１０は、図２〜図６に示すように、湾曲した流路２０と軸貫通用の開口２３とを有するケーシング本体１１と、ケーシング本体１１内に内包された軸シール１５を固定するための仕切り平板１２と、仕切り平板１２とケーシング本体１１内面との隙間に被せられた被せ板１３と、を有している。

図示された例では、流路２０は、略直角に湾曲されている。符号３０は、流路２０の中心線を示している。図５を参照し、ポンプケーシング１０の口径Ｄに対する曲率半径Ｒの比（Ｒ／Ｄ）は、たとえば、１以下である。軸貫通用の開口２３は、流体用の第２開口２２に対して反対側に形成されている。

図２〜図５に示すように、ケーシング本体１１は、プレス成型された４枚の分割体１１１〜１１４であって、周方向に並んで配置され隣り同士で溶接された４枚の分割体１１１〜１１４を有している。以下、４枚の分割体１１１〜１１４を、周方向に並んで配置された順にそれぞれ、第１〜第４分割体１１１〜１１４と呼ぶことがある。

第１分割体１１１と第２分割体１１２とは、符号３１を付して示す溶接線で溶接されており、第２分割体１１２と第３分割体１１３とは、符号３２を付して示す溶接線で溶接されており、第３分割体１１３と第４分割体１１４とは、符号３３を付して示す溶接線で溶接されており、第４分割体１１４と第１分割体１１１とは、符号３４を付して示す溶接線で溶接されている。

第１〜第４分割体１１１〜１１４は、プレス成型により滑らかな３次元形状で形成されており、これらが筒状に組み合わされることで、流路形状として滑らかな３次元形状を作製することが可能である。また、ケーシング本体１１が鋳造ではなく複数の分割体１１１〜１１４の組み合わせにより筒状に形成されることで、ケーシング本体１１の材質として、チタン、ニッケル、スーパーオーステナイト、ニッケル基耐食合金などの鋳造では加工が困難な難加工材料を用いることが可能である。

図２〜図５に示す例では、第１分割体１１１と第２分割体１１２とが、上方側に配置され、流路２０の湾曲方向内周側を画定しており、第３分割体１１３と第４分割体１１４とが、下方側に配置され、流路２０の湾曲方向外周側を画定している。

図３に示すように、流路２０の湾曲方向外周側で溶接された第３分割体１１３と第４分割体１１４とは、溶接線３３が流路２０の湾曲方向最外周部から外れて位置するように、互いに異なる形状を有している。図示された例では、第４分割体１１４の周方向長さが第３分割体１１３の周方向長さより短く形成されている。

ポンプ動作時の遠心力により流路２０の湾曲方向外周側は応力が高くなるものの、溶接線３３が流路２０の湾曲方向最外周部から外れて位置することで、溶接線３３に高い応力が作用することが回避され、ケーシング本体１１の強度が高められている。また、これにより、強度を確保したまま分割体１１１〜１１４の板材の厚みを薄くして、ケーシング本体１１を軽量化することが可能となっている。

図２〜図５に示すように、仕切り平板１２は、軸貫通用の開口２３と平行に対向して配置され、符号３７を付して示す溶接線でケーシング本体１１の内面に溶接固定されている。図１に示すように、軸シール１５は、仕切り平板１２の流路内側（流体用の第２開口２２側）の面に固定される。軸シール１５としては、たとえば、メカニカルシールが用いられる。

軸シール１５を固定するための仕切り平板１２がケーシング本体１１内に内包されていることで、軸シール１５がポンプケーシング１０の外側に突き出ることが防止され、ポンプケーシング１０がコンパクト化される。

仕切り平板１２が軸貫通用の開口２３と平行に対向して配置されているため、仕切り平板１２の上側部分とケーシング本体１１の内面との間には必然的に隙間が形成され、仕切り平板１２の上側部分とケーシング本体１１の内面とを直接溶接することは不可能である。そこで、本実施の形態では、略半円形状を有する被せ板１３が、仕切り平板１２の上側部分とケーシング本体１１内面との隙間に被せられて、隙間が液密に塞がれている。

図２、図３および図６に示すように、被せ板１３は、符号３８を付して示す溶接線で仕切り平板１２の上側部分に溶接され、符号３９を付して示す溶接線でケーシング本体１１内面に溶接されている。

図２〜図５に示すように、ケーシング本体１１は、４枚の分割体１１１〜１１４からなる筒状部の第２開口２２側の端部に溶接された、羽根車１６を収納する直管部１１５をさらに有している。４枚の分割体１１１〜１１４からなる筒状部と直管部１１５とは、符号３５を付して示す溶接線で溶接されている。

羽根車１６を収納する直管部１１５が、周方向に溶接された４枚の分割体１１１〜１１４とは別部材であることで、直管部１１５の設計の自由度が比較的大きく、たとえば、羽根車１６と直管部１１５内面とのクリアランスを狭くしてポンプ効率を高めるという設計が容易となっている。

同様に、４枚の分割体１１１〜１１４からなる筒状部の第１開口２１側の端部には、副直管部１１６が溶接されている。４枚の分割体１１１〜１１４からなる筒状部と副直管部１１６とは、符号３６を付して示す溶接線で溶接されている。流体用の第１開口２１を画定する副直管部１１６が、周方向に溶接された４枚の分割体１１１〜１１４とは別部材であることで、副直管部１１６の設計の自由度が比較的大きくなっている。

次に、このような構成からなるポンプ１の動作について説明する。

図１に示すように、電動機（図示しない）からの回転動力がプーリ１７に伝達されると、シャフト１４と羽根車１６とが一体に回転され、これにより、ポンプケーシング１０内の流体が流体用の第２開口２２から軸方向に吐き出されるとともに、流体用の第１開口２１からポンプケーシング１０内に新たな流体が吸い込まれる。ポンプケーシング１０のうちシャフト１４が貫通する部分は軸シール１５により液密にシールされており、シャフト１４の回転中にポンプケーシング１０内の流体が貫通部分から漏れ出ないようになっている。

図７は、本件発明者らによるポンプ性能試験の結果を示すグラフである。図７における実線は、実施例として測定された、上述した実施の形態によるポンプの吐出し量とポンプ効率との関係を示している。図７における破線は、第１比較例として測定された、鋳造で作製されたポンプの吐出し量とポンプ効率との関係を示している。図７における一点鎖線は、第２比較例として測定された、３分割のエビ管で作製されたポンプの吐出し量とポンプ効率との関係を示している。

図７に示すように、本件発明者らによる実際の検証によって、第２比較例（エビ管）によるポンプのポンプ効率は、第１比較例（鋳造）によるポンプのポンプ効率に比べて１０％ほど悪くなるが、実施例によるポンプのポンプ効率は、第１比較例（鋳造）によるポンプのポンプ効率と差がほとんどないことが確認された。

以上のように、本実施の形態によれば、プレス成型された４枚の分割体１１１〜１１４が周方向において隣同士で溶接されることで、流路形状として滑らかな３次元形状を作製することが可能であり、これにより、流体抵抗が小さくなり、ポンプ効率が高くなる。また、本実施の形態によれば、軸シール１５を固定するための仕切り平板１２がケーシング本体１１内に内包されているため、軸シール１５がポンプケーシング１０の外側に突き出ることがなく、設置スペースを小さくできる。

また、本実施の形態によれば、ケーシング本体１１が鋳造ではなく、プレス成型された複数の分割体１１１〜１１４の組み合わせにより筒状に形成されるため、ケーシング本体１１の材質として、チタン、ニッケル、スーパーオーステナイト、ニッケル基耐食合金などの鋳造では加工が困難な難加工材料を用いることが可能である。ケーシング本体１１の材質として、チタン、ニッケル、スーパーオーステナイトまたはニッケル基耐食合金を用いる場合には、これらは耐食性を有することから、ポンプ１にて腐食性流体を取り扱うことが可能となる。

また、本実施の形態によれば、流路２０の湾曲方向外周側はポンプ動作時に応力が高くなるものの、第３分割体１１３と第４分割体１１４とを溶接する溶接線３３が、流路２０の湾曲方向最外周部から外れて位置するため、溶接線３３に高い応力が作用することが回避され、ケーシング本体１１の強度を高めることができる。また、強度を確保したまま分割体１１１〜１１４の板材の厚みを薄くすることができ、これにより、ケーシング本体１１の軽量化が可能となる。軽量化できれば、従来の基礎構造物をそのまま利用できるため、低コストである。

また、本実施の形態によれば、羽根車１６を収納する直管部１１５が、周方向に溶接された４枚の分割体１１１〜１１４とは別部材であるため、直管部１１５の設計の自由度が比較的大きく、羽根車１６と直管部１１５内面とのクリアランスを狭くしてポンプ効率を容易に高めるという設計が容易である。

なお、上述した実施の形態では、分割体１１１〜１１４の数は４枚であったが、これに限定されず、ケーシング本体１１のサイズなどに応じて適宜選択されればよい。たとえば、ケーシング本体１１が小型であれば、分割体の数が２枚または３枚であってもよいし、ケーシング本体１１が大型であれば、分割体の数が５枚以上であってもよい。

１０ ポンプケーシング
１１ ケーシング本体
１１１ 第１分割体
１１２ 第２分割体
１１３ 第３分割体
１１４ 第４分割体
１１５ 直管部
１１６ 副直管部
１２ 仕切り平板
１３ 被せ板
１４ シャフト
１５ 軸シール
１６ 羽根車
１７ プーリ
２０ 流路
２１ 流体用の第１開口
２２ 流体用の第２開口
２３ 軸貫通用の開口
３０ 流路の中心線
３１〜３９ 溶接線

Claims (5)

1. 略直角に湾曲した流路と軸貫通用の開口とを有するケーシング本体と、
   前記ケーシング本体内に内包された軸シールを固定するための仕切り平板と、
   前記仕切り平板と前記ケーシング本体内面との隙間に被せられた被せ板と、
   を備え、
   前記ケーシング本体は、プレス成型された複数の分割体であって、周方向に並んで配置され隣り同士で溶接された複数の分割体を有する、
   ことを特徴とするポンプケーシング。
2. 前記流路の湾曲方向外周側で溶接された２枚の分割体は、溶接線が前記流路の湾曲方向最外周部から外れて位置するように、互いに異なる形状を有している、
   請求項１に記載のポンプケーシング。
3. 前記ケーシング本体は、前記複数の分割体に溶接された羽根車を収納する直管部をさらに有する、
   請求項１または２に記載のポンプケーシング。
4. 前記ケーシング本体の材質は、チタン、ニッケル、スーパーオーステナイトまたはニッケル基耐食合金である、
   請求項１〜３のいずれかに記載のポンプケーシング。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のポンプケーシングを備えたポンプ。