JP2023004056A - インペラ及び水中ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを低減できるとともに、機械的バランスを向上可能な、インペラ及び水中ポンプを提供すること。【解決手段】インペラ４２は、樹脂材料で形成され、回転軸２４に固定される裏シュラウド５２と、樹脂材料で形成され、裏シュラウド５２と対向して設けられ、その中心に吸込口を有する表シュラウド５３と、樹脂材料で形成され、裏シュラウド５２及び表シュラウド５３の間に一体に形成される羽根５４と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、汚水等を送水するインペラ及び水中ポンプに関する。

汚水等の送水に用いる水中ポンプは、渦巻形のケーシング内にインペラが収容された渦巻ポンプが用いられる。このような水中ポンプは、例えば、インペラが回転することで、ケーシングの下面に設けられた吸込口から汚水を吸い込み、ケーシングの側面に設けられた吐出口から吐出する。

このような汚水等の送水に用いられる水中ポンプは、汚水中に含まれた異物が回転軸やインペラ等に巻き込まれることによる故障等を防止するために、汚水中に含まれる汚物を確実に排出できる構成が要求される。

このため、例えば、インペラとして、一枚のシュラウドに羽根が複数設けられた所謂セミオープンインペラと呼ばれるものが用いられる。しかし、このようなインペラは、ポンプ効率が悪いことから、高効率が要求される場合において用いられるクローズドインペラが知られている。

このようなクローズドインペラは、二枚のシュラウド間に羽根が設けられる構成であり、セミオープンインペラに比べて、インペラ内に異物が巻き込まれる虞が高い。

このため、異物の巻き込みを防止するために、クローズドノンクロッグインペラとしてシュラウド間に一枚の羽根を設けたインペラが知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、このようなインペラは、鋳造により、ねずみ鋳鉄又はステンレス鋳鋼にて製造される。

特開２０１２－７７６７１号公報

しかしながら、上述したインペラは、鋳造により製造されているため、表面粗さが粗くなり、ポンプ効率を低下させる虞がある。また、ねずみ鋳鉄で製造したインペラは、錆び防止のために、塗装が必要であり、製造コストが増加する。

ステンレス鋳鋼で製造したインペラは、製造に時間を要するために、調達上の問題となることがある。

また、このようなインペラは、比重が大きい材料で形成されることから、インペラ回転時の機械的バランスを取る必要があるという問題もある。

そこで本発明は、製造コストを低減できるとともに、機械的バランスを向上可能な、インペラ及び水中ポンプを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、インペラは、樹脂材料で形成され、回転軸に固定される裏シュラウドと、前記樹脂材料で形成され、前記裏シュラウドと対向して設けられ、その中心に吸込口を有する表シュラウドと、前記樹脂材料で形成され、前記裏シュラウド及び前記表シュラウドの間に一体に形成される羽根と、を備える。

本発明の一態様によれば、水中ポンプは、モータと、ポンプケーシングと、一端が前記モータに接続され、他端が前記ポンプケーシング内に配置される回転軸と、樹脂材料で形成され、前記回転軸に固定される裏シュラウド、前記樹脂材料で形成され、前記裏シュラウドと対向して設けられ、その中心に吸込口を有する表シュラウド、並びに、前記樹脂材料で形成され、前記裏シュラウド及び前記表シュラウドの間に一体に形成される羽根、を有するインペラと、を備える。

本発明によれば、製造コストを低減できるとともに、機械的バランスを向上可能なインペラ及び水中ポンプを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る水中ポンプの構成を一部断面で示す説明図。 同水中ポンプに用いるインペラの要部構成を示すとともに、インペラの製造の一例を示す説明図。

以下、本発明の一実施の形態に係る水中ポンプ１及びインペラ４２を、図１及び図２を用いて説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る水中ポンプ１の構成を一部断面で示す説明図、図２は、水中ポンプ１に用いられるインペラ４２の要部構成を示すとともに、インペラ４２の製造の一例を示す説明図である。

図１に示すように、水中ポンプ１は、モータ１０と、軸封装置１１と、ポンプ１２と、連結管１３と、を備える。このような水中ポンプ１は、汚水槽及び下水道等に設置され、異物（汚物等）を含む汚水を送水する所謂水中汚水ポンプと呼ばれるものである。

モータ１０は、モータケーシング２１と、固定子２２と、回転子２３と、回転軸２４と、を備える。またモータ１０は、回転軸２４を回転可能に支持する複数の軸受２５と、固定子２２を外部電源等に接続する電源ケーブル２６と、を有する。モータケーシング２１は、両端が閉塞する円筒形状に形成され、一方の端面が軸封装置１１にボルト等により固定される。

固定子２２は、モータケーシング２１の内面に固定される。固定子２２は、電源ケーブル２６を介して供給された電力により、回転子２３を回転可能に形成される。回転子２３は、その回転に追従して回転軸２４を回転可能に、回転軸２４と固定される。

回転軸２４は、モータケーシング２１の一端側から突出し、且つ、モータケーシング２１にベアリング等の軸受２５を介して回転自在に軸支される。なお、回転軸２４は、水中ポンプ１を設置面に設置した姿勢において、モータケーシング２１から重力方向に延設される。

軸封装置１１は、シールケーシング３０と、メカニカルシール３１と、を備える。軸封装置１１は、モータ１０、ポンプ１２及び回転軸２４間を液密に仕切る。

シールケーシング３０は、内部にメカニカルシール３１を収納可能に形成されている。このようなシールケーシング３０は、両端が閉塞する円筒状に形成され、その両端面に回転軸２４を挿入する挿入孔３３が形成される。また、シールケーシング３０は、その内部に、メカニカルシール３１の潤滑油を充満可能な油室３４を形成する。例えば、シールケーシング３０は、軸方向で分割される二つの構成部品で構成され、一体に組み立てることで、内部に油室３４を形成する。

メカニカルシール３１は、シールケーシング３０と回転軸２４との間を密閉することで、ポンプ１２からの汚水の浸入及びモータ１０への潤滑油の浸入を防止する。

ポンプ１２は、ケーシング４１と、インペラ４２と、を備える。ケーシング４１は、その内部にインペラ４２を収納する渦巻ケーシングであり、その内部にポンプ室４３を形成する。ケーシング４１は、複数の構成部品で構成され、組み立てることでその内部にポンプ室４３を形成する。

ケーシング４１は、水中ポンプ１を据付面に据付ける複数の脚部４８を備える。また、ケーシング４１は、底面であって、且つ、複数の脚部４８間に設けられた吸込開口４９と、側面の一部に設けられた吐出開口５０と、を備える。

吐出開口５０は、その口径（吐出径）がインペラ４２を通過可能な粒径の異物を通過可能に形成される。具体的には、吐出開口５０の口径は、インペラ４２を通過可能な所定の粒径の異物と略同一径に形成される。ここで、インペラ４２を通過可能な所定の粒径の異物とは、例えば、水中ポンプ１の吐出開口５０の口径（吐出径）と同直径（所定の粒径）の球形固形物である。

吸込開口４９は、インペラ４２の後述する吸込口５８と略同一の口径に形成されている。なお、吸込開口４９は、インペラ４２を回動可能に支持するライナリングを有する構成であってもよい。

インペラ４２は、クローズドノンクロッグインペラであって、所定の粒径の異物を通過可能に形成される。このようなインペラ４２は、軸封装置１１側に配置される裏シュラウド５２と、裏シュラウド５２と対向して設けられ、吸込開口４９側に配置される表シュラウド５３と、これらシュラウド５２、５３間に設けられた羽根５４と、を備える。

また、インペラ４２は、表シュラウド５３に設けられた流体を吸込む吸込口５８と、裏シュラウド５２、表シュラウド５３及び羽根５４により形成され、吸込んだ流体を吐出する吐出口５９を有する。このようなインペラ４２は、裏シュラウド５２、表シュラウド５３及び羽根５４が樹脂材料により成形され、溶着によって一体に形成される。

インペラ４２を構成する樹脂材料は、例えば、ポリアミド樹脂である。ポリアミド樹脂は、１ユニット内の炭素数が６を超える低吸水性のポリアミド樹脂であることが好ましい。また、ポリアミド樹脂は、半芳香族ポリアミド樹脂であることが好ましい。

また、具体例として、図１及び図２に示すように、インペラ４２は、裏シュラウド５２及び羽根５４が、射出成形によって一体に成形された主板１０１と、表シュラウド５３が射出成形によって成形された側板１０２とを溶着で一体化することで形成される。

例えば、図２に示すように、表シュラウド５３である側板１０２は、羽根５４の軸方向で端部が配置される第１溝１０２ａ、及び、第１溝１０２ａの底面に形成され、第１溝１０２ａよりも幅が狭い第２溝１０２ｂを有する。

第１溝１０２ａは、羽根５４の軸方向の端面の形状に形成される。第１溝１０２ａは、羽根５４の端部が挿入されることで、羽根５４の位置合わせを可能とする。このため、第１溝１０２ａの幅は、羽根５４の幅と同じ幅か、又は、羽根５４よりも若干大きい幅に設定される。第２溝１０２ｂは、第１溝１０２ａに挿入された羽根５４と側板１０２（表シュラウド５３）を溶着したときに、主板１０１の羽根５４及び側板１０２（表シュラウド５３）が溶融した一部が流れ込む溶込のための空間を構成する。第２溝１０２ｂは、羽根５４の幅よりも小さい幅に設定される。

裏シュラウド５２は、円板状に形成されている。裏シュラウド５２は、その中央側に、回転軸２４が挿入可能であって、キー溝を有する挿入孔５２ａが形成される。なお、挿入孔５２ａは、例えば、回転軸２４を強固に固定可能、且つ、強度向上のために、キー溝が形成され、回転軸２４を固定可能なインサート部材が裏シュラウド５２にインサートされることで形成されていてもよい。裏シュラウド５２は、インペラ４２が回転軸２４に固定された際に、重力方向に対して表シュラウド５３の上方に位置する。

表シュラウド５３は、円環状に形成されている。表シュラウド５３は、その中央に吸込口５８が形成される。

羽根５４は、裏シュラウド５２及び表シュラウド５３間に一体に設けられる。羽根５４は、１枚又は２枚設けられる。本実施形態において、羽根５４は、１枚設けられる。羽根５４の表面及び裏面の間の幅は、第１溝１０２ａの幅と同じ幅か、又は、第１溝１０２ａよりも若干小さい幅に設定される。

次に、このように構成されたインペラ４２の製造方法を、図２を用いて説明する。
先ず、図２に示すステップＳＴ１のように、裏シュラウド５２及び羽根５４が一体に成形された主板１０１及び表シュラウド５３である側板１０２を射出成形で成形する。そして、図２に示すステップＳＴ２のように、主板１０１の羽根５４を側板１０２の第１溝１０２ａに配置する。このとき、羽根５４の表面及び裏面を第１溝１０２ａに合わせる。そして、図２に示すステップＳＴ３のように、超音波振動によって摩擦熱を生じさせる超音波溶着等によって、羽根５４を表シュラウド５３（側板１０２）に溶着する。これらの工程によって、インペラ４２が形成される。

なお、インペラ４２は、裏シュラウド５２及び羽根５４を射出成形で一体に成形する例を説明したが、例えば、裏シュラウド５２及び羽根５４を別体でそれぞれ射出成形によって成形する構成であってもよい。この場合、裏シュラウド５２にも第１溝１０２ａ及び第２溝１０２ｂを設ける構成とし、裏シュラウド５２と羽根５４とを溶着する構成とすれば良い。また、表シュラウド５３及び羽根５４を射出成形で一体に成形してもよい。

連結管１３は、吐出開口５０に接続される。連結管１３は、例えば、吐出開口５０から９０°ベントして上方へ向かうベント管である。連結管１３は、例えば、脚部１３ａを有する。

このように構成されたインペラ４２及び水中ポンプ１によれば、インペラ４２を樹脂材料で形成することから、金属材料で形成したインペラよりも表面粗さを低減することができるため、インペラ４２の表面を滑らかにすることができる。このため、水中ポンプ１の駆動時に、水の抵抗や摩擦を低減でき、ポンプ効率を向上することが可能となる。

また、樹脂材料でインペラ４２が形成されることで、インペラ４２が腐食する虞が無いことから、金属材料としてネズミ鋳鉄等でインペラを成形したときに要していた腐食性を向上させるための塗装等を行う必要がない。よって、インペラ４２の製造が容易となり、インペラ４２の製造コストを低減することができる。

また、樹脂材料をポリアミド樹脂とすることで、高い耐摩耗性を得ることができる。特に、クローズドノンクロッグのインペラ４２は、汚水の揚水に用いられることが多く、汚水内の不純物によるインペラ４２の摩耗を抑制できる。

また、ポリアミド樹脂は、樹脂材料の中で比較的剛性が高い。また、熱可塑性樹脂材料であることから、射出成形で成形可能であり、上述した例のように、裏シュラウド５２及び羽根５４を一体成形し、表シュラウド５３を溶着することで、インペラ４２を一体に組み立てることが可能となる。このように、製造方法が容易であるとともに、座屈強度や圧縮強度野等の強度が比較的高いインペラ４２とすることができるため、水中ポンプ１の駆動による変形や破損を防止することができる。

また、インペラ４２を１ユニット内の炭素数が６を超えるポリアミド樹脂、より具体的には、半芳香族ポリアミド樹脂とすることで、低吸水性を有することになる。これにより、インペラ４２が吸水することを抑制できる。特に、インペラ４２が吸水すると、加水分解による強度低下や、吸水による寸法の変化が生じる虞があり、これは、破損やポンプ効率の低下等の要因となる。これに対し、本実施形態のインペラ４２は、低吸水性の樹脂材料を用いることから、破損やポンプ効率の低下を抑制することができる。

また、インペラ４２は、樹脂材料とすることで、金属材料で成形するよりも重量を小さくすることができる。特に、インペラ４２は、ノンクロッグインペラであるところ、羽根５４を一枚用いる構成とすると、非対称形状となり、機械的バランスが回転中心からずれた位置となる。しかし、樹脂材料は、金属材料よりも比重が小さくなるため、インペラ回転時の機械的バランスの影響を低減できる。このため、インペラ４２は、機械的バランスを得る為の加工を要さないため、製造工程及び製造コストを低減できる。また、インペラ回転時の機械的バランスが向上することで、アンバランスによって軸受２５に加わる荷重、例えばラジアル荷重が低減することから、軸受２５の寿命を向上させることが可能となる。

これらのように、射出成形によって樹脂材料でインペラ４２を成形することで、ネズミ鋳鉄やステンレス鋳鋼を用いた鋳造によってインペラを製造するよりも、品質面では表面粗さ、腐食性及び軽量性を向上することができ、コストとしては、塗装やバランス加工を要さないことから低減でき、また、鋳造では例えば１ヶ月程度を要していた調達期間も１日程度と短縮することができる。

また、インペラ４２を樹脂材料で成形するときに、裏シュラウド５２及び羽根５４を一体成形することで、裏シュラウド５２の強度を向上することも可能となる。

上述したように本発明の一実施形態に係るインペラ４２及びインペラ４２を用いた水中ポンプ１によれば、製造コストを低減できるとともに、機械的バランスを向上することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…水中ポンプ、１０…モータ、１１…軸封装置、１２…ポンプ、１３…連結管、１３ａ…脚部、２１…モータケーシング、２２…固定子、２３…回転子、２４…回転軸、２５…軸受、２６…電源ケーブル、３０…シールケーシング、３１…メカニカルシール、３３…挿入孔、３４…油室、４１…ケーシング、４２…インペラ、４３…ポンプ室、４８…脚部、４９…吸込開口、５０…吐出開口、５２…裏シュラウド、５２ａ…挿入孔、５３…表シュラウド、５４…羽根、５８…吸込口、５９…吐出口、１０１…主板、１０２…側板、１０２ａ…第１溝、１０２ｂ…第２溝。

Claims (14)

1. 樹脂材料で形成され、回転軸に固定される裏シュラウドと、
   前記樹脂材料で形成され、前記裏シュラウドと対向して設けられ、その中心に吸込口を有する表シュラウドと、
   前記樹脂材料で形成され、前記裏シュラウド及び前記表シュラウドの間に一体に形成される羽根と、
   を備えるインペラ。
2. 前記樹脂材料は、ポリアミド樹脂である、請求項１に記載のインペラ。
3. 前記ポリアミド樹脂は、１ユニット内の炭素数が６を超える、低吸水性である、請求項２に記載のインペラ。
4. 前記ポリアミド樹脂は、半芳香族ポリアミド樹脂である、請求項２又は請求項３に記載のインペラ。
5. 前記裏シュラウド及び前記表シュラウドの一方並びに前記羽根は、一体成形され、
   前記裏シュラウド及び前記表シュラウドの他方並びに前記羽根は、溶着される、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のインペラ。
6. 前記裏シュラウド及び前記羽根が一体に成形され、
   前記表シュラウド及び前記羽根が溶着される、請求項５に記載のインペラ。
7. 前記表シュラウドは、前記羽根が配置される第１溝、及び、前記第１溝の底面に形成され、前記第１溝よりも幅が狭い第２溝を有し、
   前記羽根が前記第１溝に配置された状態で、前記表シュラウド及び前記羽根が溶着される、請求項６に記載のインペラ。
8. モータと、
   ポンプケーシングと、
   一端が前記モータに接続され、他端が前記ポンプケーシング内に配置される回転軸と、
   樹脂材料で形成され、前記回転軸に固定される裏シュラウド、前記樹脂材料で形成され、前記裏シュラウドと対向して設けられ、その中心に吸込口を有する表シュラウド、並びに、前記樹脂材料で形成され、前記裏シュラウド及び前記表シュラウドの間に一体に形成される羽根、を有するインペラと、
   を備える水中ポンプ。
9. 前記樹脂材料は、ポリアミド樹脂である、請求項８に記載の水中ポンプ。
10. 前記ポリアミド樹脂は、１ユニット内の炭素数が６を超える、低吸水性である、請求項９に記載の水中ポンプ。
11. 前記ポリアミド樹脂は、半芳香族ポリアミド樹脂である、請求項９又は請求項１０に記載の水中ポンプ。
12. 前記裏シュラウド及び前記表シュラウドの一方並びに前記羽根は、一体成形され、
    前記裏シュラウド及び前記表シュラウドの他方並びに前記羽根は、溶着される、請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載の水中ポンプ。
13. 前記裏シュラウド及び前記羽根が一体に成形され、
    前記表シュラウド及び前記羽根が溶着される、請求項１２に記載の水中ポンプ。
14. 前記表シュラウドは、前記羽根が配置される第１溝、及び、前記第１溝の底面に形成され、前記第１溝よりも幅が狭い第２溝を有し、
    前記羽根が前記第１溝に配置された状態で、前記表シュラウド及び前記羽根が溶着される、請求項１３に記載の水中ポンプ。

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