JP2766637B2 - 渦巻きポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はポンプに関し、特にポンプ内に液体の向流が
存在するポンプ装置に関する。 本発明は、密閉状に嵌合するハウジング内に電動機で
駆動されるインペラーを使用する現在の遠心ポンプを置
換する上で特に有効なポンプ機構に関するものである。
また、本発明は、スラリーの如き多量の異物を含む液体
を圧送するため現在遠心ポンプを使用する諸作業におい
て特に有効である。このようなポンプにおける特有の問
題は、しばしばシルト（沈泥），汚泥，化学的薬物，食
品類，粒状物等の形態を呈する液体により運ばれる物質
による閉塞の問題である。このようなポンプの典型的な
用途は、採鉱作業，港湾のシルトの浚渫，運河の掘削，
配管の設置，水中のケーブル設置，工業的な諸用法，排
水施設等である。 比較的大量の摩耗成を有する異物を含む液体を圧送す
る際、遠心ポンプは、この異物による摩耗および破損ま
たはポンプを最終的に閉塞させる異物によるポンプ内空
間の過剰充満状態の故に、使用寿命が非常に短くなるお
それがある。このような摩耗および破損の対策として、
遠心ポンプに対して、最初にあるいは特に交換もしくは
修理を要する場合に高価につく厚いライナーを設けるこ
とができる。本発明によれば、ポンプ・ケーシング内の
大きな開放空間およびインペラーのブレードに対する直
接的な衝撃がないことにより、このような摩耗もしくは
閉塞の問題が緩和される。 現在の遠心ポンプにおける別の問題は、主としてポン
プの吸込口からポンプまでの垂直距離である吸上げ揚
程、または更にポンプとポンプの排出口間の垂直距離で
ある排出揚程とからなる全水頭十分な確保である。スラ
リー等に対して一般に使用される遠心ポンプは、特に吸
上げ揚程が比較的大きな場合に低い回転数で駆動され
る。このようなポンプにおいては、ポンプの運転速度に
おける増加が実際はポンプにより生じる吸上げ揚程の減
少をもたらして、その結果ポンプの速度を増加させるこ
とによつては吸上げ揚程を改善することができなくな
る。しかし、本発明の場合は、ポンプの回転部材の速度
を増加させることによつて吸上げ揚程の増加が得られ
る。 多くの遠心ポンプにおいては、吸上げ揚程は通常は非
常に制限され、特殊な弁その他の装置を使用しなければ
しばしば大気圧まで制限されることになる。所要の吸上
げ揚程がこれよりも大きな場合は、堅形ポンプがしばし
ば使用されることになる。この堅形ポンプは、液体より
も高い位置の電動機から延在する長い軸を使用し、この
長い軸は回転するインペラーが取付けられる浸漬された
ポンプ・ハウジングまで下方向に延在している。この長
い軸およびこの軸を支持するための軸受けはポンプの制
限条件となる。ポンプの軸は必然的に重量が大きく、こ
の重い軸を回転させるためのエネルギを浪費する。軸の
長さを過大なものとするのは、非常に高価につき、また
高価な軸受けその他の支持装置を必要とする。別の形態
の浸漬可能なポンプはポンプ・ハウジングを水中に置い
て浸漬された電動機を備えている。このため電動機内へ
の水の侵入を防止するためポンプの電動機に油その他の
物質およびシールその他高価な装置の使用を必要とす
る。浸漬状態の電動機を有する浸漬可能なポンプにおけ
る別の問題は、電気的シヨツクまたは短絡の防止の問題
である。ポンプの修理または交換は、その内部構造の故
に高価につく。本発明においては、軸の装備もしくはポ
ンプ・電動機の浸漬を行なうことなく大きな吸上げ揚程
を得ることができる。 従つて、本発明の一般的な目的は、斬新かつ改善され
たポンプの提供にある。 本発明の他の目的は、ポンプの閉塞もしくは破損を招
くことなく、高い割合の異物を含むスラリーを取扱うた
めの斬新かつ改善されたポンプの提供にある。 本発明の他の目的は、液体の渦流柱がポンプ流入管の
中心部から排出されてその結果ポンプの流入孔における
低圧の集中域を生じて周囲の液体および異物（もし含ま
れるならば）を渦流の状態で下方に移動する渦流柱の周
囲で上方へ吸引させる渦流ポンプの提供にある。 以下の記述から明らかになる本発明の上記および他の
目的については、図面を照合されたい。 例示の目的のための図面に示されるように、本発明
は、ポンプ・ハウジング即ちケーシング14まで延在する
軸12を駆動する電動機11（第１図）を備えたポンプ10と
して具体化される。このポンプは、１つ以上のポンプの
排出部即ち流出孔18を経て液体が排出される前記ケーシ
ング14内を液体を揚上するために液体まで延長する流入
管15の形態のポンプ入口装置を有する。本発明について
は、以下において、垂直方向に配設されたポンプ10（第
１図）または第７図に示された別の実施例の垂直方向に
配設されたポンプ10aに関連して記述することにする。
このポンプは種々の状態で設置可能なこと、また本実施
例における垂直方向の配設は単に例示に過ぎず本発明を
ポンプの特定の配設方向に限定する意図がないことを理
解すべきである。 前に述べたように、ポンプの流入端部17からポンプの
ケーシング14に至る垂直方向の揚程を「吸上げ揚程」と
呼ぶ。吸上げ揚程の大きさは、通常、特殊な弁の使用に
よる外ほとんどの遠心型ポンプの場合に非常に制限され
る。所要の吸上げ揚程が大気圧よりも大きい場合、堅形
ポンプが通常使用される。堅形ポンプの１つの形態は、
液体の上方に位置される電動機から延長する長い軸を使
用し、この長い軸12は回転するインペラーが取付けられ
る浸漬されたポンプ・ハウジングまで下方に延長する。
この長い軸および軸を支持するための軸受けはポンプに
おける制限条件となる。ポンプ軸は必然的に重量を有
し、重い軸の回転にエネルギを浪費する。この軸の長さ
は、著しく高価なものとはならず、また高価な軸受けそ
の他の支持装置を必要とすることなくは過大なものには
なり得ない。別の形態の浸漬可能ポンプには、電動機が
ポンプハウジングと共に液中に浸漬される。このため電
動機内への液体の侵入を阻止するためポンプ電動機内に
油その他の物質を必要とし、またシールその他の高価な
装置の使用を必要とする。浸漬された電動機を有する浸
漬可能ポンプにおける他の問題は電気的シヨツクまたは
短絡を防止する問題である。ポンプの修理または交換は
その内部構造の故に高価となる。 本発明によれば、電動機11を浸漬することなく高い割
合のスラリーその他の固形物を含む液体を圧送するため
特に有効でありしかも大きな吸上げ揚程を享受し得る斬
新かつ改善されたポンプが提供される。これは、本発明
においては、渦流発生装置即ち部材35（第６図）または
35a（第７図）によりその中心軸の周囲で急速に回転す
る柱状の渦流である渦流柱30（第６図）の生成によつて
達成される。この渦流発生部材は、その内部で液体が中
心軸32の周囲に高速の回転運動および下方向の渦流運動
を生じ、全ての流れは流入管15に対する下方向となる。
渦流柱30が流入管路の流入端部17から流出する時、第６
図に示されるように液体は直ちに外方へ拡散し始めて円
錐状の拡散作用域37を形成する。 渦流発生部材35が液体に対して与えられるエネルギを
集中して、大きな角速度および大きな下方向速度成分を
有する比較的小さな液体の垂直方向の渦流柱を形成する
こと、またここでそのエネルギは、渦流液体が下方向に
流れることを示す方向矢印36により示される如き上方向
において渦流柱の周囲で第６図の方向矢印39によつて示
されるように渦流を生じる周囲の液体38中へ迅速に拡散
されることが理解されよう。これが、このポンプの渦巻
きポンプとして然らしめるところの流入管15内の反対方
向における液体の向流である。この上方へ流れる液体は
また大きな角速度と大きな上方向速度を有し、その結果
ケーシング14は流出孔18からの流出のため液体により迅
速に補充される。 本発明の重要な特質によれば、液体はハウジング14内
の中空の室46の外周部45から流入孔42を経て渦流部材35
内に取入れられて、第２図および第３図に最もよく示さ
れるように、液体が渦流発生装置即ち管50まで略々半径
方向内方へ移動するに伴つて液体が加速されるように延
在しかつ逓減する断面積を有する複数の流路48を通るよ
う指向される。より詳細には、本発明の図示された実施
例においては４つの流路が設けられ各々の流路は、液体
が渦流管内に進入する時渦巻き作用を与えられるように
表面の管の内壁面に対して接線状に位置される流出面53
において渦流管の中空内部51に対して加速用液体を与え
る。この管の頂部が閉鎖されているため、液体は下方向
に流れて前記管の軸心周囲に渦巻きを生じ、管の流出端
部53において渦流柱として流出する。 次に本発明の図示された実施例について更に詳細に述
べれば、第１図に示されたケーシング14は、軸12および
流入管15を通る軸心32と同心である円筒状の金属壁面55
が形成されている。前記ケーシング14は、必要に応じて
封止された軸と電動機駆動軸12に対する軸受け装置58を
設けることができる頂部の円筒状壁面57を含んでいる。
この軸および軸受けを支持する特定の方法については、
本例においてはハウジングの頂部板57の外方にあるもの
として示されている。前記ケーシングは、円筒状の側壁
面55の下方端部に対し結合されかつポンプに対する軸心
32と整合された流入管路15の開口を有する下方の円形板
56を有する。 流入管15は、その中心部における開口においてケーシ
ングの底部壁面56に対して固定される金属製の円筒状パ
イプの形状を呈することが望ましい。前記ケーシング14
および流入管15は多くの形態を取り得ること、また本例
において示された如き円筒形状は単なる例示に過ぎず特
許請求の範囲の限定となるものではないことを理解すべ
きである。 渦流発生部材35に対する電動機駆動装置は、軸受け装
置58の上方の適当な台60上に取付けられた電動機11を含
んでいる。この電動機11の回転軸および被駆動軸はポン
プの軸心32に沿つている。更に詳細に述べれば、色々な
内臓電動機または第１図に示されるものとは別の形態で
ありかつ依然として本発明の範囲内に該当する電動機ま
たは駆動装置を使用することができる。 第２図乃至第６図に示される望ましい図示された渦流
発生部材35は、水平方向に延在する円形の頂部板66によ
り頂部が覆われた円錐状の外壁面を有する中空の略々円
錐状のシエルを含んでいる。頂部板は、第６図において
最もよく示される如く板68によつて駆動軸12の下方端部
上に取付けられる。ケーシングの側壁面55からかなりの
距離だけ渦流発生部材の頂部板66の周縁部70を離間させ
てその間において固形物による目詰りあるいは閉塞の可
能性を軽減することが望ましい。流路48に対する流入端
部42を傾斜した前壁面72（第２図）に対してスコツプ状
に設け、このスコツプが第２図における反時計方向に回
転して流入孔42に流れるよう液体を掻出すことが望まし
い。第４図に最もよく示されるように、流入孔42はその
最も狭い端部と同じように閉塞するおそれがあるため通
路48内への大きな粒度の粒子の流入を阻止するためフイ
ルタ・スクリーンその他のフイルタ装置を有することが
望ましい。ポンプ・ケーシングにおける同じ垂直高さに
おける４つの流入孔の各々に流入する水の粒子が同じ移
動距離を経かつ渦流管までの移動中の同じ加速を生じ、
第２図に示されるように管50の内壁面51に対して略々同
じ接線角度で渦流管内に同様に流入するように、各流入
孔42はポンプの中心軸から同じ半径方向距離にあり、各
通路48はその流入孔42と渦流管50間に同じ流路を提供す
る。前記通路48の渦流管に対する角度が接線方向の角度
から他の角度へ変化しても渦流を形成することができ
る。このような例も依然として本発明の範囲に含まれる
ものであることが判るであろう。 図示された流路48は、４つの壁面を有する四角形状の
金属管状チヤネル49としてそれぞれ形成されている。更
に、チヤネル49は、第３図において最もよく示されるよ
うに、渦流発生管50からそれらの方向に略々水平に延在
する平行な上下壁面78,79を有する。この上下の壁面78,
79は、渦流発生管50におけるその内部の流出孔即ちオリ
フイス52に対して流入孔42から相互に傾斜した垂直方向
のチヤネルの側壁面81,82に対して接合されている。本
例においては、側壁面81,82は直線状であるが、他の例
においてはこれらは湾曲させることもできる。第４図お
よび第５図を比較すれば最もよく判るように、流入孔42
における断面積は第５図に示されるように流出孔52にお
ける面積の約４倍となつている。また、第６図に示され
るように、流入孔42はこれが突出する円錐状のシエル表
面65のテーパ形状と同様に略々テーパ状に延在すること
が判るであろう。 上記のことから、本発明の望ましい実施態様において
は、ケーシングの室46の上半部における液体は流入孔42
を流過するが、大部分の懸濁状の固体のほとんどを含む
残りの液体は室46の下方半部ならびに渦流柱の周囲に流
れて、流出管88が取付けられた円筒状の側壁面55の開口
87（第６図）から流出することが判るであろう。本例に
おいては、各々流出管88を有する２つの排出部18が設け
られている。この流出管の個数は、ポンプの最終的な用
途に応じて１つのみ、あるいは２つ以上の数とすること
ができる。 渦流を最初形成しかつこれを回転部材35から流出させ
る渦流管50は、４つの周部に等間隔位置で垂直方向に穿
孔され、かつ通路49の内側端部が溶接その他の方法で固
定される円筒状の金属管の形態であることが望ましい。
第６図に最もよく示されるように、渦流管50はシエル壁
面65の下部の円錐状端部の下方においてこのシエルの下
方で短い距離だけ隔てられたその流出端部53まで延在す
る。渦流管が下方へ延在する距離は、本例に示されたも
のよりも増減することができる。また、望ましい渦流を
形成する装置即ち管の形状は、図示の形状および構造を
変形することもできるが、そのような変形例もまた本発
明の範囲内に属する。 本例に示した流入管15は、真直ぐな円筒状の金属パイ
プである。使用される特定の材料または流入管15の長さ
は本例に示したものから実質的に変更可能であることは
理解されよう。プラスチツクまたは他の材料から作れる
可撓性のハウジングを流入孔に対して取付けることがで
きる。これは深い浚渫作業またはシルト作業または採鉱
作業に使用される時、例えば約20m（70フイート）以上
もの長い距離を下方に延長し得ることが考えられる。 本発明の別の実施態様は、第７図および第８図に最も
よく示されている。この別の実施例では類似の要素に対
しては同じ符号に添字を付して示されている。第７図お
よび第８図の実施態様においては、電動機駆動装置が設
けられていない。代りに、別のポンプ即ち装置100が流
入孔101を経てケーシング14a内の第２の即ち下方の室10
4を形成する固定された孔のない板103により分離される
第１の即ち上方の室102に対し高速の液体流を供給す
る。 このため、流入する高速の液体流は、第８図に最もよ
く示されるように、室102の周部から流入孔42aを経て断
面積の小さな通路48aを流下して渦流発生装置即ち管50a
内に流入する。水その他の液体は、断面積の小さなチヤ
ネル即ち流路48aを半径方向内方へ移動する時加速さ
れ、渦流管50a内へ接線方向に流出して下方向の渦巻き
作用により、流入管15aを下方に流れる渦流柱30aを形成
する。この受流柱30aの作用は、流入管15aから出た後
は、第１図乃至第６図の実施態様に関して前に記述した
ものと同じものである。即ち、外側の渦巻き水流は同じ
ように反対の渦流柱30aの周囲で上方向に下方の室104内
へ流入し、次いでオリフイス87aおよび流出孔18aから出
る。以上に示された各実施態様においては、流入管15の
底部における開口17に加えて、第１図において仮想線で
示した120の如き別の流入孔を何個でも流入管15の側壁
面に設けることができること、また液体が流入端部17か
ら上方へも吸引されて液体の下方へ移動する渦流柱30の
周囲で上方へ流れる間、前記管路を経て流入管15に流入
することになることが判つた。 例示として、第１図に示した本発明の実施態様の大き
さのみを示す。例示したポンプは、約152mm（６イン
チ）の直径の円筒状ケーシング14を有し、回転する渦流
発生部材35の最大径は約100mm（４インチ）となり、そ
の間に室46の周部領域45として約50mm（２インチ）の間
隔を残す。流入孔42の幅は約50mm（２インチ）であり、
渦流管50における流出孔52の幅は約12.7mm（1/2イン
チ）である。これは流入孔と流出孔の間において通路お
よびチヤネル49の幅が1/4に減少することを意味する。
本例の渦流管は直径が約25.4mm（１インチ）のパイプで
ある。本例の流入孔15は直径が約57mm（2 1/4インチ）
のパイプである。本例では直径が約38mm（1 1/2イン
チ）の流出管18を用いた。ポンプの駆動のため８馬力の
電動機を900rpmで用いた。 以上から、従来の遠心ポンプにおけるように、密な嵌
合状態の部材およびケーシング即ちハウジングを用いる
代りに、本発明では、渦流柱の形成を利用していること
がわかる。この渦流柱は、高速回転する狭いほぼ円筒状
の水の帯を有している。この円筒状の形状は、渦流柱が
流入管を出るまでは、テーパー状となつて下方に向つて
わずかに拡がつている。流入管を出ると、渦流柱に集中
されている全てのエネルギが流入管の周囲の水の中に解
放され、渦流作用と相俟つて、渦流柱の回転方向と同一
方向に回転し、かつ下方に運動する渦流柱の運動方向と
は反対方向の上方へ運動する周囲の水を揚上する。第１
図に示されたポンプは、最初に水中に浸漬して渦流の最
初の形成を確実にすることが望ましい。最も低い圧力が
インペラーの作用によつてポンプ・ハウジング内に生じ
る従来のポンプとは対照的に、流入管から出る水が最も
低い圧力即ちポンプとしての最も大きな吸引力の領域を
形成するものと考えられる。ケーシングの室46に流入す
る液体の大部分は流出孔18から排出されるが、一部はそ
の上方に流れて回転運動をする渦流発生部材の開口内へ
吸入される。必要に応じて、水の流出を助けるために、
回転する渦流部材35に対して短いフインあるいはパドル
を付設して、インペラの能力を高めることもできる。し
かし、渦流を形成する円形運動を与えてこのため前記渦
流発生管から前記室の一部を横切つて流入管路内へ下方
に流れる水の非常に密な渦流を生じるのは、加速された
水の各噴流が渦流発生管内に流入する外側の領域45から
中心部に位置する渦流形成管内への液体の特異な加速に
よるものである。前記通路内の加速する各水流は、これ
らがそれぞれ同調して、相互にその累積効果を減殺する
ことになる乱流その他の向流を生じることなく他方に加
わるように同じものである。本例においては流路を有す
る４つのチヤネル49を渦流生成部材として用いたが、こ
の個数はこれ以上または以下のチヤネル49を用いるよう
に変更してもよい。 本文においては種々の構造について例示したが、他の
改良変更例において他の色々な構造形態を用いることも
できるが、依然として本発明の範囲内に該当するもので
ある。例えば、テーパ状に減少する断面内で水を下方向
および内方向に渦流を生じさせて渦流管に流入するまで
半径方向のみならず下方向にも連続的に水を加速するた
め大きな外径を有する渦巻き形状に流路48を形成するこ
とによつて改善結果を得ることができると考える。 同様に、液体の渦流柱を渦巻きではあるが下方向に流
れるものと考えることもできる。一方、もし流入管15が
浸漬されケーシングから上方へ直立するものとすれば、
水の渦流柱は渦巻きにおける如く上方へ移動するものと
なろう。大旋風または竜巻きにおいては、大きな角速度
の流れが非常に大きな吸引作用を生じて事物を渦流に向
けて内方向へ引込んでこれにより吹上げることが知られ
ている。本発明はこのような自然に起こる現象に類似す
るものと考えられる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の斬新な諸特徴を備えたポンプを示す斜
視図、第２図は第１図の線２−２に関する拡大断面図、
第３図は本発明の第１図の実施態様に従つて構成された
渦流発生部材を示す部分拡大断面図、第４図は第３図の
線４−４に関する回転部材に対する流入孔を示す断面
図、第５図は第３図の線５−５に関する回転部材におけ
る通路を示す断面図、第６図は第１図の実施態様に従つ
て構成されたポンプの作用を示す説明図、第７図は固定
部材を用いて液体の渦流柱を生じる本発明の更に別の実
施態様を示す断面図、第８図は第７図の静止渦流発生部
材の断面図である。 10……ポンプ、11……電動機 12……軸、14……ケーシング 15……流入管、17……流入端部 18……排出部、30……渦流柱 32……中心軸、35……渦流部材 37……拡散作用域、38……周囲の液体 42……流入孔、45……外周部 46……中空室、48……流路 49……管状チヤネル、50……管 51……中空部、52……流出孔 53……流出面、55……金属壁面 57……円筒状壁面、58……軸受け装置 59……底部壁面、60……台 65……シエル面、66……頂部板 68……板、70……周縁部 72……前壁面、78,79……壁面 81,82……側壁面、87……開口 88……流出管

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．渦流を発生させて、その周辺の液体を汲み出す渦巻
   きポンプであって、 液体が流入するポンプ室を内部に画成したポンプ・ケー
   シングと、 液体を所定の軸を中心に回転させて第１の方向に流動す
   る柱状の渦流を発生させる渦流発生手段と、 前記ポンプ・ケーシングに連結されると共に、該渦流発
   生手段によって回転せしめられた前記柱状の渦流が中心
   部に流入する流入管を有する流入部と、 前記柱状の渦流を案内して前記流入管の管内を通過させ
   る手段と、 前記ポンプ室に連結されると共に前記柱状の渦流周辺か
   ら前記ポンプ室内に流入した液体を該ポンプ室の外へ排
   出する排出部とを備えて成り、 前記柱状の渦流が前記流入管の端部から流出すると吸引
   エネルギーが集中して、その周辺の液体が前記流入管の
   管内を該渦流の周囲を渦巻きながら前記第１の方向とは
   反対の方向に流動するようにした渦巻きポンプ。 ２．モータによって駆動されるシャフトと、前記流入管
   の中心部と同軸的に設けられた回転部材とを備えて成る
   請求項１の渦巻きポンプ。 ３．流入部を下方へ流動する柱状の渦流を発生させて該
   流入部の圧力を減圧し、もって、液体が該柱状の渦流の
   周囲を回転しながら該流入部を介してポンプの内部まで
   昇流するようにした渦巻きポンプであって、 モータ型駆動手段と、 密閉されたポンプ室が内部に画成されたポンプ・ケーシ
   ングと、 該ポンプ室の室内に取り付けられると共に前記モータ型
   駆動手段によって回転せしめられ、液体を流路の出口側
   端部から渦流管の管内へその接線方向から送り込んで渦
   巻き状に流動させて柱状の渦流を発生する渦流発生手段
   と、 前記渦流発生手段の出口側端部と同軸的に設けられると
   共に、中心軸に沿って流入した前記柱状の渦流を入口側
   端部から下方へ排出してその周辺の圧力を減圧し、もっ
   て、液体が渦巻き状に昇流するようにした流入部と、 前記ポンプ・ケーシングに設けられ、前記流入部の入口
   側端部から該ポンプ・ケーシング内に流入してきた液体
   を該ポンプ・ケーシングの外へ排出する排出部とを備え
   て成る渦巻きポンプ。 ４．流入部からポンプ・ケーシング内に流入してきた液
   体を排出部を介して該ポンプ・ケーシングの外へ排出す
   る方法であって、柱状の渦流を共通の位置から発生さ
   せ、該柱状の渦流を所定の流路に沿って流入部側へ流動
   せしめ、該柱状の渦流から液体を排出して前記流入部に
   負圧の回転領域を形成し、もって、液体を該流入部内に
   吸い込み且つ、吸い込んだ液体を前記柱状の渦流の回転
   方向とは反対の方向に流動させて前記ポンプ・ケーシン
   グ内に流入せしめ、前記ポンプ・ケーシング内に流入し
   た液体を排出部を介して該ポンプ・ケーシングの外へ排
   出する方法。 ５．回転部材から排出した前記柱状の渦流を該回転部材
   の出口端部の下側から下方へ延在する吸引管の中心部を
   介して下方へ導き、液体を前記下方へ流動する柱状の渦
   流の周辺から同吸引管を介して上方へ汲み上げる請求項
   ４の方法。