JP2534142B2 - 渦巻ポンプ及び自動給水装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は羽根車を有する単段或いは多段の渦巻ポンプ
及び該渦巻ポンプを給水ポンプとする自動給水装置に関
するものである。

〔従来技術〕

第３図及び第４図はクローズド形羽根車を有する一般
の渦巻ポンプの構造及び部分流量域における流動状態を
示す図である。第３図は子午断面図で、第４は側面図で
ある。

図示するように、渦巻ポンプはケーシング10と吸込カ
バー20で囲まれた空間に羽根車30が配置された構造であ
る。

ケーシング10は上部に吐出し口11が形成された吐出し
口フランジ12を有し、内部に該吐出し口11に連通するボ
リュート流路13が形成された構造である。

また、吸込カバー20は前端に吸込口21が形成された吸
込フランジ22を有し、内部に吸込流路23が形成された構
造である。吸込カバー20の後端はケーシング10の前面に
嵌合するようになっている。

また、羽根車30は主板31と側板32の間に複数の渦巻状
の羽根翼33が一体に形成され、前端部にはライナーリン
グ37が形成された構造である。該羽根翼33と羽根翼33の
間に羽根翼間流路34が形成され、前面に該羽根翼間流路
34に連通する羽根入口35が形成され、外周に該羽根翼間
流路34に連通する羽根出口36が形成されている。また、
羽根車30は主軸40に羽根止ナット41で締め付け固定され
ている。また、主軸40とケーシング10の間には軸封装置
42が配置されている。

上記構造の渦巻ポンプにおいて、主軸40を回転させる
ことにより、吸込口21から吸い込まれた水は吸込流路23
を通って羽根車30の羽根入口35から羽根翼間流路34,羽
根出口36,ボリュート流路13を通って、吐出し口11から
排出される。

一般の渦巻ポンプは吐出し流量が極端に少ない所謂部
分流量域で運転すると、羽根車30の羽根翼間流路34内の
相対速度が極端に小さくなると同時に、羽根入口35の角
度に対して流体の流入角度が食い違うため流れが乱れ、
そのために流体中に含まれた空気が分離して気泡Ａとし
て羽根翼間流路34内に停滞する。そしてこの分離した空
気は運転時間と共に増加し、羽根翼入口部付近でも、特
に負圧面側に寄って溜まり、空気層が徐々に増大し、流
路を塞ぐ状態になると最終的にはポンプの吐出し圧力が
降下し、ポンプの揚水能力が著しく低下する。この現象
をエアーロックと呼んでいる。これは吸込圧力が負圧の
場合、即ち吸上げ状態で使用する際に多く発生する。

従来このエアーロックを避けるために、ポンプ運転点
をできるだけ大流量域にして、ポンプの羽根車30の羽根
翼間流路34内の相対速度を大きくし、羽根入口35付近に
停滞している空気をポンプ吐出し側に排出していた。と
ごろが自動給水装置は、マンション，アパート，ビルデ
ィング等の一般的な生活給水が主体であり、その場合の
使用流量は微少の部分流量域まである。これまでの自動
給水装置は、大型の圧力タンクを使用していたので、ポ
ンプを運転する際の作動点が、第６図に示すように、圧
力スイッチの下限値H₂でON信号（ポンプの運転開始）、
上限値H₁でOFF信号（ポンプの運転停止）でそれぞれ作
動していた。この場合、ポンプの流量範囲はQ₂からQ₁で
あり比較的大流量であった。そのために部分流量域にお
ける運転がなく上述したエアーロック現象がなかった。

ところが、最近の自動給水装置は、非常に小型の圧力
タンクを使用しているため、圧力タンク内の容積が小さ
くポンプの停止時間を多くすることができない。言い替
えると、それだけ起動停止の頻度が多くなる。そこでポ
ンプの運転時間を多くする方法として一般に以下のよう
な手段が採用されている。

（１）フロースイッチ方式 （２）減圧弁方式 （３）タイマー方式 〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記（１）フロースイッチ方式，
（２）減圧弁方式，（３）タイマー方式のいずれも下記
のような問題点があった。

（１）フロースイッチ方式 第５図は自動給水装置の代表的なシステムフローを示
す図である。同図において、51は主水道管、52は受水
槽、53は給水ポンプ、54はチェッキ内蔵のフロースイッ
チ、55は圧力スイッチ、56は圧力計、57は圧力タンク、
58は仕切弁（蛇口）である。

第６図はフロースイッチを用いた給水ポンプの制御方
法を示す図である。第７図の自動給水装置において、吐
出し口の仕切弁（蛇口）58を開けると、初期段階では圧
力タンク57に貯蔵されている清水が給水される。その後
圧力タンク57内の圧力が徐々に低下し、配管中に接続さ
れた圧力スイッチ55の下限値H₂（ON信号）になると、圧
力スイッチ55が作動し給水ポンプ53の運転が開始する。
その状態では圧力タンク57内にも清水が供給されると同
時に、仕切弁（蛇口）58へも給水を行なっている。その
後圧力タンク57内が充分に満たされると、仕切弁（蛇
口）58だけへの給水となる。その後。給水ポンプ53の吐
出し圧力は上昇し、圧力スイッチ55の上限値H₁に達し、
給水ポンプ53の運転条件の１つになる。更に使用流量が
減ると吐出し流量Q₀になり、フロースイッチ54が作動
し、上述の条件と重なり給水ポンプ53はOFF信号で運転
を停止する。この場合吐出し口からの使用流量Ｑとフロ
ースイッチ54の動作流量Q₀との関係がＱ＞Q₀であれば、
給水運転を継続する。ところが使用流量Ｑが微少流量の
部分流量域であるとき、これまで述べたエアーロック現
象がポンプの羽根車で発生する。

そこで従来は、この現象を回避するため、第５図に示
すように給水ポンプ53の吐出し側からバイパス管59を通
して一定流量を逃がす方法を採用していた。しかしなが
らこれは当然給水量及びそれを吐出しするために給水ポ
ンプ53の駆動エネルギーの損失となり、ランニングコス
トの上昇を招くという問題があった。

（２）減圧弁方式 第８図は減圧弁と圧力スイッチによる給水ポンプの制
御方法を示す図である。減圧弁を用いると吐出し圧力は
一定圧力になり、部分流量Q₁より少ない流量Q₁′で急激
に圧力が上昇し、その後締切圧力H₀となる。自動給水装
置の仕切弁（蛇口）58を開けると圧力タンク57内の清水
が減り、圧力スイッチ55の下限値H₂（ON信号）になり、
圧力スイッチ55が作動して、給水ポンプ53の運転を開始
する。その後使用流量Ｑが減り、流量Q₁となると減圧弁
の作用により、流量に対して圧力が一定となり、さらに
少ない流量Q₁′になると給水ポンプ53の吐出し圧力が急
激に上昇し、圧力スイッチ55の上限値H₁（OFFスイッ
チ）になり給水ポンプ53の運転は停止する。この場合も
使用流量が微少流量の部分流量域であるとき、上述した
エアーロック現象が給水ポンプ53内に発生する。

この現象を避けるため給水ポンプ53の吐出し側から、
バイパス管59を通して一定流量を逃がす方法をとってい
た。しかしながらこの方法も上記（１）の同様ランニン
グコストの上昇を招くという問題があった。

（３）タイマー方式 タイマー方式を第５図及び第６図で説明する。自動給
水装置の仕切弁（蛇口）58を開けると、圧力タンク57内
から給水を開始する。その後圧力タンク57を徐々に低下
し、第６図に示すように、圧力スイッチ55の下限値H₂に
なるとON信号で給水ポンプ53が運転を開始する。その時
給水ポンプ53から圧力タンク57に清水が供給されると同
時に仕切弁（蛇口）58へも供給する。その状態で圧力タ
ンク57内の圧力が上昇し、圧力スイッチ55の上限値H₁に
なるとOFF信号で給水ポンプ53は停止する。この場合給
水ポンプ53の吐出し流量に対して圧力タンク57の容積が
小さいため短時間で設定値H₂になり、その際のON,OFF信
号で起動停止を頻繁に繰り返すことになる。これを防ぐ
ため圧力スイッチ55がON又はOFFしてからタイマーを連
動させて、給水ポンプ53を一定時間だけ強制的に運転さ
せる。給水ポンプの運転流量Ｑが部分流量域Q₁より小流
量であれば上述したエアーロック現象 が給水ポンプ53内で発生する。

この現象を避けるため従来は、吸上げ高さ（吸込圧
力）に応じて給水ポンプ53の吐出し側からバイパス管59
を通して一定流量を逃がす方法をとっていた。これはポ
ンプ運転流量を部分流量域から大流量域に変えエアーロ
ックを防止するものであるが、ランニングコストの上昇
を招くという問題があった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記問題
点を除去し、ポンプ運転流量が微少な部分流量域でもエ
アーロック現象の発生しない渦巻ポンプ及び渦巻ポンプ
を使用する自動給水装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため本発明は、主板と側板の間に
複数の渦巻状の羽根翼が形成され、該側板前端中央部に
羽根入口及びライナーリングが形成された羽根車を具備
する単段或いは多段の渦巻ポンプにおいて、羽根車の羽
根翼間流路を幅方向に３等分に分割した場合の羽根翼の
圧力面側流線を含め、該羽根間流路の幅方向の2/3の範
囲で、ライナーリング外径より外側で、且つ羽根入口径
の2.5倍の径の円内の側板及び／又は主板に小穴を設け
たことを特徴とする。

また、給水ポンプ及び圧力タンク等を具備する自動給
水装置において、該給水ポンプに上記構成の渦巻ポンプ
を用いたことを特徴とする。

〔作用〕

上記の如くクローズド形羽根車の羽根翼間流路を幅方
向に３等分に分割した場合の羽根翼の圧力面側流線を含
め、該羽根間流路の幅方向の2/3の範囲で、ライナーリ
ング外径より外側で、且つ羽根入口径の2.5倍の径の円
内の側板及び／又は主板に小穴を設けたことにより、羽
根入口に吸込まれた流体は羽根翼間流路を通過する際
に、羽根車の回転による遠心力を受け昇圧するが、羽根
出口の高圧水の一部は羽根車の側板及び主板とケーシン
グ吸込カバーに囲まれた流路を経て前記小穴に流れ込
む。

この小穴は一種のオリフィスであり、この部分の流れ
はジェット流となり、このジェット流が羽根翼間流路の
入口部に溜った空気（気泡）を撹拌し同時に、その場所
の圧力を上昇させる作用を奏し、流体中の空気を分離し
にくくする。

一方小穴から羽根翼間流路内に流入したジェット流
は、羽根車の回転により、円周方向成分を持ち羽根翼の
圧力面側から負圧面側に向かって流れることになり、滞
留した空気を羽根出口の方向に運び出す。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の渦巻ポンプに用いるクローズド形の
羽根車の構造を示す図で、同図（ａ）は断面図、同図
（ｂ）は（ａ）のＺ−Ｚ線上断面図である。また、第２
図は羽根翼間流路の側面図である、第１図及び第２図に
おいて、第３図及び第４図と同一符号を付した部分は同
一部分を示す。第１図に示すように、羽根車30は主板31
と側板32の間に複数個（図では５個）の渦巻状の羽根翼
33が一体に形成され、前端部にはライナーリング37が形
成された構造である。羽根翼33と羽根翼33の間に羽根翼
間流路34が形成されている。そして、主板31と側板32の
所定位置（後に詳述する）にエアーロック防止用の小穴
Ｙ及びＸを設ける。

ここで、第１図及び第２図において、D₁は羽根入口35
の内径である羽根入口径、D₂はライナーリング37の外径
であるライナーリング外径、D₄は羽根車30の外径である
羽根車外径、点a₁,a₂,a₃,a₄を結ぶ曲線は負圧面側流
線、点b₁,b₂,b₃,b₄を結ぶ曲線は中間流線、点c₁,c₂,c₃,
c₄を結ぶ曲線は中間流線、点d₁,d₂,d₃,d₄を結ぶ曲線は
圧力面側流線である。また、D₃は前記負圧面側流線，中
間流線及び圧力面側流線の各点a₃,b₃,c₃,d₃が通過する
円の直径であり、この円は羽根入口径D₁の2.5倍以上の
円である。また、羽根翼間流路34は中間流線により３つ
の領域34−1,34−2,34−３に等分されている。エアーロ
ック防止用の小穴Ｙ及びＸは、第１図（ａ）及び第２図
に示すように圧力面側流線d₁,d₂,d₃,d₄に接近した方が
効果が大きい。そしてこの小穴Ｙ及びＸの開ける位置は
ライナーリング外径D₂より外側で、しかも前記D₃（2.5
×D₁）より内側で、中間流線上の点b₂,b₃及び圧力面側
流線上の点d₂,d₃で囲まれた場所、即ち図面にハッチン
グが施され場所に単数又は複数個設ける。なお、第１図
に示す構造の羽根車30を用いる渦巻ポンプのケーシング
10及び吸込カバー20は、第３図及び第４図に示す構造の
ものと同じである。主板31と側板32のハッチングが施さ
れ場所に小穴Ｙ及びＸを設けことにより、エアーロック
が防止できる原理を第１図（ａ）を用いて説明する。

羽根入口35に吸込まれた流体は羽根翼間流路34を通過
する際に、羽根車30の回転による遠心力を受け昇圧する
が、羽根出口36の高圧水の一部は側板32及び主板31とケ
ーシング10及び吸込カバー20とに囲まれた流路を経て側
板32上に設けられた小穴Ｘ及び主板31に設けられた小穴
Ｙに流れ込む。この主板31及び側板32に設けられた小穴
Ｙ及びＸは一種のオリフィスであり、この部分の流れは
ジェット流である。そしてこのジェット流は、羽根入口
35からの主流と略直角に衝突する。このため羽根翼間流
路34の入口部に溜った空気（気泡）はこのジェット流に
より撹拌される。そしてこれと同時に、その場所の圧力
は上昇する方に作用する。この付近の圧力が上昇すれ
ば、流体中の空気は分離しにくくなる。今この作用をジ
ェット効果と呼ぶと、このジェット効果は羽根車30の単
段当りの揚程が高い程、また小穴X,Yの径が大きい程有
効である。一方、第１図（ｂ）と第２図の羽根車側面図
上で流れを見ると、また小穴X,Yから羽根翼間流路34内
に流入したジェット流は、羽根車30の回転により、円周
方向成分を持ち、第１図（ｂ），第２図に示すように、
羽根翼33の圧力面側（圧力面側流線d₁,d₂,d₃,d₄側）か
ら負圧面側（負圧面側流線a₁,a₂,a₃,a₄側）に向かって
矢印で示すような流れとなる。この矢印の流れが空気を
羽根出口36の方向に運び出す役目をすると同時に、その
場所の圧力を上昇させる。従って、この小穴X,Yを負圧
面側（負圧面側流線a₁,a₂,a₃,a₄側）に接近した位置に
設けたのではジェット流の流れは広がらず空気の撹拌作
用もないことからエアーロック現象を防止の効果はない
ことになる。

なお、小穴X,Yの形状には制約がなく、丸形、角形、
楕円その他いずれでもよい。また、小穴X,Yは羽根翼間
流路34には必ず設ける必要がある。また、小穴X,Yを設
けた後の開口面積は大きい程ポンプ性能に悪影響を及ぼ
すが、エアーロック現象を防止の効果は該開口面積が大
きい程効果がある。

また、上記実施例ではクローズト形羽根車を有する渦
巻ポンプを例に説明したが、本発明はこれに限定される
ものではなく、例えばオープン形の羽根車を有する渦巻
ポンプでもよい。

また、上記羽根車30を用いた渦巻ポンプはエアーロッ
ク現象が発生しないから、この渦巻ポンプを自動給水装
置の給水ポンプとして用いれば、圧力タンクが小さくし
ても、上記従来例のようにエアーロック回避するため給
水ポンプの吐出し側からバイパス管を通して一定流量を
逃がし、ポンプ運転流量を部分流量域から大流量域に変
える必要がなく、ランニングコストの低い自動給水装置
となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば下記のような優れ
た効果が得られる。

（１）羽根車の側板や主板に、羽根翼間流路の入口部
付近に小穴を設けるだけでエアーロック現象を回避でき
るので、ポンプの連続運転流量範囲が拡大されるだけで
なく、吸込圧力が低い場合、即ち吸上げ状態でも、ポン
プ吐出し側から一定流量をバイパスさせる必要がなくな
る。

（２）本発明の渦巻ポンプを自動給水装置の給水ポン
プとして使用することにより、吸上げ状態で、吸込圧力
が低い場合でも、給水ポンプ吐出し側から一定流量を逃
がすことなく、給水ポンプを微少流量の部分流量域まで
運転ができ、しかも運転時間を強制的に延長でき、フロ
ースイッチの作動流量を小さくできることから、圧力タ
ンクを小型化することができる。

（３）減圧弁方式については、フロースイッチの作動
流量が拡大するので、小流量域まで確実に一定圧力とな
るので、例えば湯沸し器などの使用中でも流量を一定に
維持できるから、温度の変化なく、また例えばシャワー
を併用しても使用中の温度の変化がなく、使用者にとっ
て便利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の渦巻ポンプに用いるクローズド形の羽
根車の構造を示す図で、同図（ａ）は断面図、同図
（ｂ）は（ａ）のＺ−Ｚ線上断面図、第２図は羽根翼間
流路の側面図、第３図はクローズド形羽根車を有する一
般の渦巻ポンプの構造及び部分流量域における流量状態
を示す子午断面図で、第４図はその側面図、第５図は自
動給水装置のシステムフローを示す図、第６図は圧力ス
イッチによる給水ポンプの制御方法を示す図、第７図は
圧力スイッチ及びフロースイッチによる給水ポンプの制
御方法を示す図、第８図は減圧弁及び圧力スイッチによ
る給水ポンプの制御方法を示す図である。 図中、10……ケーシング、11……吐出し口、12……吐出
し口フランジ、20……吸込カバー、21……吸込口、22…
…吸込フランジ、23……吸込流路、30……羽根車、31…
…主板、32……側板、33……羽根翼、34……羽根翼間流
路、35……羽根入口、36……羽根出口、37……ライナー
リング、40……主軸、41……羽根止ナット、42……軸封
装置、X,Y……エアーロック現象防止用の小穴。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−145399（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−104002（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−193199（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主板と側板の間に複数の渦巻状の羽根翼が
   形成され、該側板前端中央部に羽根入口及びライナーリ
   ングが形成された羽根車を具備する単段或いは多段の渦
   巻ポンプにおいて、 前記羽根車の羽根翼間流路を幅方向に３等分に分割した
   場合の羽根翼の圧力面側流線を含め、該羽根間流路の幅
   方向の2/3の範囲で、前記ライナーリング外径より外側
   で、且つ前記羽根入口径の2.5倍の径の円内の前記側板
   及び／又は主板に小穴を設けたことを特徴とする渦巻ポ
   ンプ。
2. 【請求項２】給水ポンプ及び圧力タンク等を具備する自
   動給水装置において、 前記給水ポンプに前記請求項（１）に記載の渦巻ポンプ
   を用いたことを特徴とする自動給水装置。